[发明专利]水下激光主动成像系统的蒙特卡洛模拟及优化设计方法

权利要求书

1.一种水下激光主动成像系统的蒙特卡洛模拟及优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、建立水下激光主动成像系统的三维实体模型，包括激光光源、基线距离和成像物镜相对孔径的系统结构参数、海水介质固有特性、探测目标距离、目标表面散射模型以及探测器；

步骤2、定义模拟光源，根据仿真条件确定具体的光源的波长、功率，以及仿真的光子数；

步骤3、判断所有光子是否仿真完毕，若是，执行步骤12，否则执行步骤4；

步骤4、从光子库当中取出一个光子，设定初始光子初始位置为坐标原点，追踪该光子一次运动的轨迹，包括光子运动一次的步长的确定，散射角的确定，方位角的确定，从而确定该光子的新位置；

步骤5、根据得到的光子的新位置，判断光子是否被系统接收器所接收，若是，则执行步骤11，否则执行步骤6；

步骤6、根据得到的光子的新位置，判断该光子是否离开追踪区域，若是，则执行步骤3，否则执行步骤7；

步骤7、根据得到的光子的新位置，判断光子是否碰到了目标，若是则执行步骤8，否则执行步骤9；

步骤8、若判断光子碰到目标表面，根据目标表面的散射模型，确定光子新的运动方向，并标记该光子；

步骤9、根据随机数以及吸收概率，判断光子是否发生吸收事件，若是，放弃对该光子的追踪，并执行步骤3；否则执行步骤10；

步骤10、光子按照既定规则继续运动一个步长，并确定光子的新位置，并执行步骤5；

步骤11、记录被探测器所接收光子在CCD上的位置，增加所接收到的光子的数量并执行步骤3；

步骤12、统计CCD上光子的数量和位置，计算出模拟后CCD所成像的对比度；

改变水下激光主动成像系统中激光光强、基线距离、目标距离、物镜口径参数中的一个，继续进行步骤1-12的模拟，获得相应的关系曲线，根据获得的关系曲线，综合考虑选取最优参数，完成在某一特定水质条件及周围环境下，系统参数的优化设计。

2.根据权利要求1所述的水下激光主动成像系统的蒙特卡洛模拟及优化设计方法，其特征在于，所述步骤4中确定一次运动后光子新的位置，具体为：

一次运动后光子新位置由步长、散射角以及方位角共同确定，其中：

步长s的确定：

其中ξ₁为0～1上均匀分布，c为水介质的衰减系数；

方位角的确定：

其中ξ₂为0～1上均匀分布，π为圆周率；

散射角θ采用Henyey-Greenstein状态函数描述：

其中β(θ)为散射相函数，g为各向异性因子，取值范围(-1,1)，表征前向散射和后向散射的比例；

光子运动一次新的位置由下述公式(4)(5)(6)表示：

其中μ_x、μ_y、μ_z为矢量在对应坐标轴下方向余弦，(x’,y’,z’)为光子由(x,y,z)运动一次之后新的位置。

3.根据权利要求1所述的水下激光主动成像系统的蒙特卡洛模拟及优化设计方法，其特征在于，所述步骤8中，目标表面采用双向散射分布函数，利用参数A、B、G的双向散射分布函数进行描述反射、吸收和散射：

其中为镜面方向的单位向量在表面上的投影，为散射方向的单位向量在表面上的投影，两者之间的差的绝对值为BSDF的变量，A、B、G为可选参数。

4.根据权利要求1所述的水下激光主动成像系统的蒙特卡洛模拟及优化设计方法，其特征在于，所述步骤9中，发生散射事件的概率ω₀，发生吸收事件的概率为1-ω₀：

其中b和c分别是激光的散射系数和衰减系数。

5.根据权利要求1所述的水下激光主动成像系统的蒙特卡洛模拟及优化设计方法，其特征在于，所述步骤12中，CCD上目标反射像点对比度C_M为：

其中，N_i为激光照明光点反射像点的光子数，N_b为整个CCD上光子的平均数。