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

摘要

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。

说明书

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

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，

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，

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

进一步地，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

探测目标散射相关系数

体积辐射函数

单程传播衰减

其中，

进一步地，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，

进一步地，

其中，

进一步地，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，

进一步地，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，

进一步地，步骤2.4通过下式确定单光子探测器内部的暗计数

其中，

进一步地，步骤3.2中

本发明还提供一种基于后向散射模型的水下单光子成像系统仿真模型，其特殊之处在于：

其中

本发明的有益效果是：

1、本发明通过给定水下单光子成像系统中各器件以及目标环境、传输过程的相关参数，构建后向散射模型，确定后向散射光功率参数；之后通过激光雷达方程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，进而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，系统的参考响应函数设计为含指数分量的高斯函数模型，进而得到基于后向散射模型的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。

2、本发明采用GWEC模型代替传统高斯模型，使得IRF更贴近于实际系统中的IRF，使得仿真更具说服力且更容易拟合出较好的仿真结果。

附图说明

图1为本发明水下单光子成像系统仿真原理图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

结合图1，本实施例通过下述过程实现建模及仿真：

步骤一：给定日常基本常量参数：真空中光速

步骤二：根据实际水下单光子成像系统中的激光器设备，给定相关仿真参数：脉冲 激光器脉宽FWHM，波长

步骤三：通过步骤二给定的与激光器相关的仿真参数以及步骤一给定的常量参数，计算单个光子能量：

步骤四：根据水下单光子成像系统中的实际光学系统所需的相关光学器件依次给定相关仿真参数，如图1中相关光学器件包括发射光学系统透镜组、带通滤波片、中性密度衰减片及接收光学系统透镜组，因此给定的相关仿真参数包括：

水下单光子成像系统光学系统中中性密度衰减片传输效率

根据以上仿真参数可求得光学镜片器件衰减效率

步骤五：根据水下单光子成像系统中的单光子探测器设备以及时间相关单光子计 数器TCSPC参数给定相关仿真参数：单光子探测器填充因子

步骤六：依据目标场景及周围环境，给定对应的仿真参数：目标物体的在水体中的 距离Z、大气传输距离z、目标反射率

步骤七：给定光在水下传输过程的相关仿真参数：

针对光在水下传输时会引起后向散射的情况，本实施例拟通过引入后向散射模型 对传输能量损耗进行概率计算，因此给定的相关仿真参数有后向散射截获系数

步骤八：通过给定后向散射模型确定后向散射光功率参数：

探测目标散射相关系数

体积辐射函数

单程传播衰减

步骤九：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

其中，

步骤十：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，对目标在水体内的传输距离进行算法级别的门控处理，推导光在水中的后向散射能量损耗，并得出单光子探测器接收的后向散射光子：

步骤十一：根据激光雷达的能量方程可计算得出单光子探测器中的背景噪声个数：

步骤十二：根据暗计数率乘以时间分辨率

步骤十三：由步骤十到十二，可得到单光子探测器收集到的所有噪声，将其进行累加得到最终的噪声回波等级。

步骤十四：通过改进的含指数分量的高斯函数（Gaussian with Exponential Component，GWEC）模型

步骤十五：将GWEC的PDF进行化简运算可得到关于

步骤十六：将仿真数据各像素的反射率信息进行归一化处理，得到每个像素的仿 真反射率信息

步骤十七：根据激光雷达观测方程建立每个像素的回波分布图，其中，噪声信号定义为均匀分布的加性噪声，每个像素的回波分布服从泊松分布：

其中

步骤十八：根据匹配滤波的方法得到目标的三维重建图。

为了验证本发明GWEC模型更贴合实际系统的脉冲响应函数，以下在不同的仿真环境下采用GWEC模型和高斯模型重建图像，分别获得两个模型对应的重建信号误差（SRE,signal-to-reconstruction-error），SRE的计算方式如下：

其中

表1和表2为两个模型对应的SRE提升结果：

从表1和表2可以看出，本发明所采用的GWEC模型的SRE提升结果相对于原高斯型无论在重建距离图还是在重建反射率图中均高于原高斯型，证明本发明所采用的GWEC模型可以更好的贴合实际系统的脉冲响应函数。