[发明专利]基于后向散射模型的单光子成像系统仿真模型及建模方法

权利要求书

1.一种基于后向散射模型的单光子成像系统仿真模型建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、给定水下单光子成像系统中各器件、目标环境以及光在水下传输过程的相关仿真参数，利用所述相关仿真参数构建后向散射模型，确定后向散射光功率参数；

步骤2、确定单光子探测器接收到的所有信号；

步骤2.1、根据激光雷达方程和能量与回波信号光子之间的关系，确定单位反射率下单光子探测器接收的目标信号回波光子；

步骤2.2、根据后向散射光功率参数和探测水深以及水衰减系数的关系，得出单光子探测器接收的后向散射光子；

步骤2.3、根据激光雷达的能量方程计算单光子探测器中的背景噪声光子数；

步骤2.4、根据暗计数率、时间分辨率、探测器累积时间t以及探测周期内时间栅格的个数，计算单光子探测器内部的暗计数；

步骤2.5、确定单光子探测器收集到的所有噪声的噪声回波等级；

步骤3、设计系统的脉冲响应函数，确定目标在水下单光子成像系统仿真模型中各像素的反射率，最终得到基于后向散射模型的水下单光子成像系统仿真模型；

步骤3.1、确定系统的脉冲响应函数；

其中，分别对应原高斯函数模型的期望、方差以及原指数函数模型期望的倒数，为余误差函数；

步骤3.2、确定目标在水下单光子成像系统仿真模型中各像素的反射率；

其中，为每个像素的仿真反射率信息；

步骤3.3、得到基于后向散射模型的水下单光子成像系统仿真模型：

其中为第i,j个像素中信号分布的期望，为第i,j个像素中的回波光子数分布，表示每个像素的回波光子数服从泊松分布，为系统的脉冲响应函数，为第i,j个像素中的噪声回波等级。

2.根据权利要求1所述的基于后向散射模型的单光子成像系统仿真模型建模方法，其特征在于，步骤1中，后向散射光功率参数包括探测目标散射相关系数、体积辐射函数及单程传播衰减，通过以下公式计算：

探测目标散射相关系数

体积辐射函数

单程传播衰减

其中，为光在水下传播过程中单向散射率，为水体衰减系数，为非对称系数，为光束从激光器照射水体的表面透过率，为目标物体在水体中的距离，z为大气传输距离，为大气衰减系数。

3.根据权利要求2所述的基于后向散射模型的单光子成像系统仿真模型建模方法，其特征在于，步骤2.1通过下式确定单位反射率下目标信号的回波光子：

其中，为水下单光子成像系统中激光器总能量，为目标反射率，为水体透过率，，为水下单光子成像系统中光学系统的接收孔径，为探测所用的水缸透过率，为水下单光子成像系统中光学透镜组接收发射传输效率，为水下单光子成像系统中光学镜片器件衰减效率，为水下单光子成像系统中单光子探测器总效率，为单个光子能量，为系统到目标的距离，D= Z+z，z为大气传输距离。

4.根据权利要求3所述的基于后向散射模型的单光子成像系统仿真模型建模方法，其特征在于，、及分别通过下式计算：

其中，为水下单光子成像系统光学系统中带通滤波片的传输效率，为水下单光子成像系统光学系统中中性密度衰减片的传输效率，为水下单光子成像系统光学系统中光纤耦合效率，为发射光学系统透镜组传输效率，为接收光学系统透镜组传输效率，为单光子探测器填充因子，为单光子探测器量子转换效率。

5.根据权利要求3所述的基于后向散射模型的单光子成像系统仿真模型建模方法，其特征在于，步骤2.2通过下式确定单光子探测器接收的后向散射光子：

其中，为后向散射截获系数，u为水中光速。

6.根据权利要求5所述的基于后向散射模型的单光子成像系统仿真模型建模方法，其特征在于，步骤2.3通过下式确定单光子探测器的背景噪声个数；

其中，为水下单光子成像系统中光学系统的瞬时视场。