[发明专利]一种基于海洋湍流的单光子成像仿真方法

权利要求书

1.一种基于海洋湍流的单光子成像仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、确定海洋湍流模型；

通过功率谱密度反演法生成一系列随机相位屏，获得海洋湍流模型；

步骤2、模拟海洋湍流对于光束在水中传输的影响；

利用基模准直高斯光束通过海洋湍流模型，计算通过海洋湍流模型后的基模准直高斯光束光场分布；

步骤3、将通过海洋湍流模型后的基模准直高斯光束光场分布与目标图像作用，获得目标图像经过湍流模型之后，每个像素的仿真反射率和仿真深度

步骤4、根据激光在水中传输受到衰减后的单位反射率下目标图像的回波信号光子数M，结合目标图像经过湍流模型之后每个像素的仿真反射率基于下式计算目标图像再经过基于海洋湍流的单光子成像系统之后的仿真反射率R_u，v；

其中⊙表示矩阵的点乘运算；

步骤5、基于目标图像再经过基于海洋湍流的单光子成像系统之后的仿真反射率R_u，v及仿真深度用泊松响应描述光子计数过程，完成仿真；

其中，Ω_u，v为第(u，v)像素的回波光子分布，(u，v)为相空间坐标，为泊松响应，f(·)为系统响应函数，t为时间参数，C是单光子探测器接收的回波噪声等级c组成的向量，尺寸为S_bin×1，S_bin为回波中时间栅格的个数。

2.根据权利要求1所述的基于海洋湍流的单光子成像仿真方法，其特征在于，步骤1获得的海洋湍流模型为：

其中，为第n个相位屏，为傅里叶逆变换，D(q_u，q_v)为复高斯随机矩阵，为第n个相位屏上的湍流折射率变化引起的湍流相位功率谱；q_u，q_v分别为相空间u轴、v轴的频率分量，n＝1，2…N，N为相位屏总数目，N为大于2的整数。

3.根据权利要求2所述的基于海洋湍流的单光子成像仿真方法，其特征在于，步骤2具体包括以下步骤：

步骤2.1、确定基模准直高斯光束到达第n个相位屏之前，在空间频域中的传输函数H_n9q_u，q_v)：

其中l_n为光束到达第n个相位屏之前在自由空间中传输的长度，i是虚数符号，为光束的波数；

步骤2.2、根据步骤2.1中确定的传输函数H_n(q_u，q_v)，计算基模准直高斯光束在自由空间中传输，到达第n个相位屏时的光场P_n^-(u，v)：

其中是傅里叶变换，P₀(u，v)为单位振幅基模准直高斯光束发射平面光场；

步骤2.3、将步骤2.2得到的光场与第n个相位屏作用，得到穿过第n个相位屏之后光场P_n(u，v)：

其中exp(·)是以自然常数e为底的指数函数；

步骤2.4、计算光束离开第n个相位屏之后在空间频域中的传输函数H_n′(q_u，q_v)：

其中l_n′为光束离开第n个相位屏，到达单光子探测器时在自由空间中传输的长度；

步骤2.5、根据步骤2.3穿过第n个相位屏之后光场和步骤2.4的传输函数，确定光束到达单光子探测器时的光场分布P_n⁺(u，v)：

4.根据权利要求3所述的基于海洋湍流的单光子成像仿真方法，其特征在于，步骤2.1中l_n根据下式计算：

l_n＝Δd+(n-1)d

其中，Δd为第n个相位屏之前和相位屏之后的自由空间长度，Δd＝d/2，d为相邻相位屏之间的距离，d＝L/N，L为往返传输总距离，L＝2Z，Z为系统到目标图像的距离。