[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

说明书

本发明涉及一种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。解决现有成像系统建模方法无法较为准确的实现水下单光子成像系统建模的问题。本发明通过给定相关参数，确定后向散射光功率参数；之后求得单位反射率下的回波光子以及背景噪声个数，同时考虑系统的暗计数，构成单光子探测器接收到的所有信号。最后通过观测方程，得到回波信号的期望，其中将系统的响应过程建模成泊松分布，参考响应函数设计为含指数分量的高斯函数模型，进而得到水下单光子成像系统仿真模型。利用该模型，通过匹配滤波可以验证不同器件参数和衰减长度下水下单光子成像系统对于水下目标的成像能力，对未来实现更高衰减长度的成像具有一定的指导以及借鉴作用。

技术领域

本发明属于水下光学成像技术领域，涉及一种基于后向散射模型的水下单光子成像系统仿真模型及建模方法。

背景技术

水下目标成像技术是现代海洋科考、水下资源勘探及水下军事发展的重要技术手段。

水下目标成像中，受到水体以及水中杂质等的影响导致光在水中面临严重的能量衰减，使得探测目标能量极其微弱。单光子三维成像技术作为当下较为前沿的研究领域，可实现极弱光条件下复杂场景的成像。因此，水下单光子成像系统可以实现在未来具有实现高衰减长度成像的前景。

相较于单光子成像系统在大气传输中的应用，水下传输环境面临后向散射的干扰，因此，在大气中的成像系统建模方法，不能直接应用在水下单光子成像系统的建模。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于后向散射模型的水下单光子成像仿真模型及模型构建方法，以解决现有成像系统建模方法无法较为准确的实现水下单光子成像系统建模的问题。本发明在建模时考虑水下传输环境后向散射对激光能量的干扰，并依托更好的数学模型，获得最终的仿真结果，从仿真角度对后向散射对水下单光子成像的影响进行论证，对未来具体实施操作具有一定的指导以及借鉴作用。

本发明技术方案是提高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，其特殊之处在于，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个数；

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；