[发明专利]一种基于海洋湍流的单光子成像仿真方法

说明书

本发明属于水下成像技术领域，涉及一种基于海洋湍流的单光子成像仿真方法。解决现有成像仿真方法因没有考虑湍流对激光在水中传输带来的影响而导致准确性较低的问题。首先确定海洋湍流模型，然后模拟海洋湍流对于光束在水中传输的影响，之后确定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，进一步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；最后基于上述仿真反射率及仿真深度，用泊松响应描述光子计数过程，完成仿真。本发明同时考虑了激光在水中传输会受到衰减、散射及湍流的影响，相较于现有仿真方法，更符合实际水下成像过程，具有较高的准确性。

技术领域

本发明属于水下成像技术领域，涉及一种基于海洋湍流的单光子成像仿真方法。

背景技术

水下成像是认识海洋，探索海洋的重要技术。单光子成像技术因其灵敏度高，在水下强衰减环境下相较于主动光学成像具有较大优势，是一种有潜力的新型水下光学成像技术。

中国专利CN113325436A，公开了一种基于后向散射模型的单光子成像仿真方法，仿真过程考虑水下传输环境后向散射对激光能量的干扰，依托相应数学模型，获得仿真结果。

但激光在水中传输除了会受到散射的影响，还会受到湍流的影响。上述单光子成像仿真方法考虑了散射造成的影响，并没有考虑到湍流对激光在水中传输带来的影响，使得仿真方法准确性有所降低。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于海洋湍流的单光子成像仿真方法，以解决现有成像仿真方法因没有考虑湍流对激光在水中传输带来的影响而导致准确性较低的问题。本发明在仿真过程中，同时考虑衰减、散射、湍流对水下单光子成像的影响，适用于较弱湍流区域。

本发明的技术方案是提供一种基于海洋湍流的单光子成像仿真方法，其特殊之处在于，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、确定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

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、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；

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，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。

进一步地，步骤1获得的海洋湍流模型为：