[发明专利]一种海洋荧光探测半解析蒙特卡罗模拟方法

说明书

本发明提供了一种海洋荧光探测半解析蒙特卡罗模拟方法，该方法基于荧光物质垂向密度分布，利用蒙特卡罗方法生成荧光物质光源，模拟荧光光子在海水随机介质中的传输，模型考虑海水和水中悬浮物质的散射和吸收特性；结合半解析方法，快速计算每次散射过程中水上探测器感应的能量，统计每个光子的光程并形成时域探测信号。本发明可用于分析不同水体的水色信息，也有助于开展海洋光学散射特性的研究，节省了大量成本，从而为遥感探测和抗干扰算法设计、参数选择、性能评估提供参考。

技术领域

本发明涉及海洋环境光散射特性研究领域，特别涉及一种运用半解析蒙特卡罗方法的海洋荧光传输特性仿真技术。

背景技术

在海洋光学领域，水下的荧光效应与海洋溶解物质的特性息息相关，利用荧光光谱特性可以反演出丰富的水质信息，对于不同来源的水团示踪，生物活动示踪，水质污染分等应用可起到至关重要的作用。海洋荧光探测模拟技术可以为海洋水色遥感和水下探测的数据分析、特征提取、目标识别等研究提供理论依据。

对于光子在媒介中的传输问题，一些国际上科研技机构已经进行了有效的研究和开发，如University of Texas开发的MCML、University of California开发的MCNP、National Research Council of Canada联合开发的EGS4等。虽然这些软件可以模拟粒子输运问题，但是均存在一些不足，MCML主要用于模拟外部准直光源发射的光子在多层平板型3D媒介中的传输，采用的光源模型和媒介模型都是简单的经典模型；MCNP可用于模拟多种粒子，如中子、光子、电子在3D媒介中的传输，但MCNP没有直接模拟随机光源参数的粒子在2D媒介中传输的功能；EGS4是模拟电子和光子在不同媒介中传输的软件开发包，但也缺乏直接模拟粒子在2D媒介中传输的功能。虽然这些光子传输特性仿真技术在生物光学等领域被广泛应用，但不能快速、有效地模拟大范围海洋荧光的传输过程。

在检索到的国内外公开及有限范围发表的文献中，传统的蒙特卡罗方法中探测器接收到的光子概率低，结果难以收敛，而对于静态扩散方程的解析方法，复杂形状媒介的解析解通常难以求得。

发明内容

本发明的目的在于提出一种海洋荧光探测半解析蒙特卡罗模拟方法，既可用于分析不同水体的水色信息，也有助于开展海洋光学散射特性的研究，节省了大量成本，从而为遥感探测和抗干扰算法设计、参数选择、性能评估提供参考。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种海洋荧光探测半解析蒙特卡罗模拟方法，用于实现荧光物质垂向分布不均匀的水体受光激发的荧光能量传输特性仿真。

所述方法，包含以下过程：

步骤1：将海水划分为深度等间距的光子多层传输媒介，归一化海水垂向深度的荧光物质分布谱，并将连续分布谱转化为等间距深度采样的离散概率分布；

步骤2：统计实例海域中荧光物质的平均浓度，依据荧光物质浓度与激发光波长的经验公式关系计算受光激发的荧光峰波长；基于该荧光峰波长，利用Mie理论球形粒子近似，计算海水各层媒介的固有光学特性，包括散射系数、吸收系数、不对称因子及折射率；

步骤3：基于荧光物质离散概率分布，利用蒙特卡罗方法随机生成荧光光源；考虑水下悬浮粒子及水体的散射、吸收效应，不同折射率的媒介层直接的反射、透射效应，模拟荧光光子的传输过程；结合解析法，计算每次散射后，荧光光子被水上探测器感应的能量；

步骤4：基于光子输运过程，进行统计运算，转化为其他所需的传输信息。输出探测器收集的荧光光子能量，生成时域探测信号。

本发明带来以下有益效果：