CN108398782A - 水下激光主动成像系统的蒙特卡洛模拟及优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水下激光主动成像系统的蒙特卡洛模拟及优化设计方法，根据不同的水质的散射及吸收特性，针对水下主动激光成像系统，采用蒙特卡洛模拟方法对系统参数和性能，进行相应的优化和设计，从而提高反射光点或光条的成像对比度，保证系统测量原理的实施。本发明方法首先根据具体的成像系统建立三维实体模型，然后通过定义光源、定义水体固有特性以及目标表面散射模型，通过迭代光子的运动完成对光子整个运动路径的追踪与统计。本发明方法以同步扫描三角测距水下激光成像系统作为实施例，利用上述方法，得出扫描光点反射图像的对比度，改变系统参数重复上述模拟，得到相应关系曲线，最后综合考虑后确定系统优化设计参数。

Description

水下激光主动成像系统的蒙特卡洛模拟及优化设计方法

技术领域

本发明属于水下视觉成像技术领域，具体涉及一种水下激光主动成像系统的蒙特卡洛模拟及优化设计方法。

背景技术

水下光成像，尤其是水下主动激光成像技术，相比于水下声成像有较高的成像分辨率，因而在海洋探索以及海洋军事方面具有重要的应用价值。现有技术出现了诸如水下同步扫描三角测距成像系统、结构光成像系统等多种水下激光主动成像系统。然而，由于水介质具有较强的吸收和散射光学特性，激光在水下传播受到了较大的衰减作用，限制了探测距离，也影响了水下激光成像系统的成像质量。因此，如何合理设计水下激光成像系统以减小散射光对系统的干扰，显得尤为重要。由于水介质对激光吸收和散射的复杂性，很难通过建立精确的数学模型对该系统进一步的定量优化设计。

发明内容

本发明目的在于针对水下激光主动成像系统，围绕激光主动成像系统反射光点对比度问题，提供一种水下激光主动成像系统的蒙特卡洛模拟及优化设计方法，从而提高该成像系统的成像质量。

为达到上述目的，本发明构思如下：

根据不同的水质的散射及吸收特性，针对水下主动激光成像系统，如同步扫描三角测距成像系统、结构光成像系统等接收器接收到的反射光点或光条的对比度问题，采用蒙特卡洛模拟方法对系统参数和性能，如目标距离、激光光强、基线距离、物镜口径等，进行相应的优化和设计，从而提高反射光点或光条的成像对比度，保证系统的工作性能。

根据上述构思，本发明采用如下技术方案：

一种水下激光主动成像系统的蒙特卡洛模拟及优化设计方法，包括以下步骤：

步骤1、建立水下激光主动成像系统的三维实体模型，包括激光光源、基线距离和成像物镜相对孔径的系统结构参数、海水介质固有特性、探测目标距离、目标表面散射模型以及探测器；

步骤2、定义模拟光源，根据仿真条件确定具体的光源的波长、功率，以及仿真的光子数；

步骤3、判断所有光子是否仿真完毕，若是，执行步骤12，否则执行步骤4；

步骤4、从光子库当中取出一个光子，设定初始光子初始位置为坐标原点，追踪该光子一次运动的轨迹，包括光子运动一次的步长的确定，散射角的确定，方位角的确定，从而确定该光子的新位置；

步骤5、根据得到的光子的新位置，判断光子是否被系统接收器所接收，若是，则执行步骤11，否则执行步骤6；

步骤6、根据得到的光子的新位置，判断该光子是否离开追踪区域，若是，则执行步骤3，否则执行步骤7；

步骤7、根据得到的光子的新位置，判断光子是否碰到了目标，若是则执行步骤8，否则执行步骤9；

步骤8、若判断光子碰到目标表面，根据目标表面的散射模型，确定光子新的运动方向，并标记该光子；

步骤9、根据随机数以及吸收概率，判断光子是否发生吸收事件，若是，放弃对该光子的追踪，并执行步骤3；否则执行步骤10；

步骤10、光子按照既定规则继续运动一个步长，并确定光子的新位置，并执行步骤5；

步骤11、记录被探测器所接收光子在CCD上的位置，增加所接收到的光子的数量并执行步骤3；

步骤12、统计CCD上光子的数量和位置，计算出模拟后CCD所成像的对比度；

改变水下激光主动成像系统中激光光强、基线距离、目标距离、物镜口径参数中的一个，继续进行步骤1-12的模拟，获得相应的关系曲线，根据获得的关系曲线，综合考虑选取最优参数，完成在某一特定水质条件及周围环境下，系统参数的优化设计。

所述步骤4中确定一次运动后光子新的位置，具体为：

一次运动后光子新位置由步长、散射角以及方位角共同确定，其中：

步长s的确定：

其中ξ₁为0～1上均匀分布，c为水介质的衰减系数；

方位角的确定：

其中ξ₂为0～1上均匀分布，π为圆周率；

散射角θ采用Henyey-Greenstein状态函数描述：

其中β(θ)为散射相函数，g为各向异性因子，取值范围(-1,1)，表征前向散射和后向散射的比例；

光子运动一次新的位置由下述公式(4)(5)(6)表示：

其中μ_x、μ_y、μ_z为矢量在对应坐标轴下方向余弦，(x’,y’,z’)为光子由(x,y,z)运动一次之后新的位置。

所述步骤8中，目标表面采用双向散射分布函数，即ABG BSDF描述反射、吸收和散射：

其中为镜面方向的单位向量在表面上的投影，为散射方向的单位向量在表面上的投影，两者之间的差的绝对值为BSDF的变量，A、B、G为可选参数。

所述步骤9中，发生散射事件的概率ω₀，发生吸收事件的概率为1-ω₀：

其中b和c分别是激光的散射系数和衰减系数。

所述步骤12中，CCD上目标反射像点对比度C_M为：

其中，N_i为激光照明光点反射像点的光子数，N_b为整个CCD上光子的平均数。

与现有技术相比，本发明具有如下的优点：

本发明提出一种基于蒙特卡洛模拟的方法，从辐射传输理论出发，建立该系统激光传输的随机模型，可根据不同的水介质散射及吸收特性，进行相应的系统性能和参数优化设计，以求达到最佳成像质量和效果。

附图说明

图1为实施例中激光同步扫描三角测距水下激光成像系统基本光路图。

图2为实施例中激光同步扫描三角测距水下激光成像系统展开后的几何关系图。

图3为实施例中激光同步扫描三角测距水下激光成像系统实体模型光线追迹情况。

图4为蒙特卡洛模拟水下主动激光成像系统中光子传输路径的流程图。

图5为蒙特卡洛模拟方法中光子新位置的确定示意图。

图6为双向散射分布函数ABG BSDF几何光路示意图。

图7-1为目标距离与成像对比度关系。

图7-2为激光光强与图像对比度关系。

图7-3为基线距离与图像对比度关系。

图7-4为物镜口径与图像对比度的关系。

图8为系统参数优化后反射光点图像对比度与测量距离的关系。

具体实施方式

以下结合附图，以激光同步扫描三角测距成像系统为具体实施例，对本发明作进一步的说明。

如图1所示的系统基本光路图，图中1为激光器，2为两面镀反射膜的振镜，3为平面反射镜，4为被测物体，5为平面反射镜，6为成像物镜，7为线CCD。激光器1发出一束准直激光束被振镜2上表面反射，再被平面反射镜3反射，照明到被测物体4表面上的Q点，Q点的反射光经平面反射镜5反射，再经过振镜2下表面反射，被成像物镜6成像到线CCD 7上的Q’点，根据同步扫面三角测距原理，由Q’点坐标值就可以计算得到物体4表面上照明点Q的坐标值。振镜2快速摆动，即可完成对物体4表面的扫描成像。

如图2所示，图中B为激光器与成像物镜中心之间的基线距离，Z₀为物体上一点的测量距离，图中示出了发射激光和物体上反射光的前向散射、后向散射、多次散射情况，以及CCD接收系统的成像孔径和视场。

如图3所示，按照图2中几何光路关系，建立三维实体仿真模型。由仿真结果可以看出，接收器接收到了成像光以及各种散射光。

如图4所示，一种水下激光主动成像系统的蒙特卡洛模拟及优化设计方法，包括以下步骤：

步骤1、建立水下激光主动成像系统的三维实体模型，包括激光光源、基线距离和成像物镜相对孔径的系统结构参数、海水介质固有特性、探测目标距离、目标表面散射模型以及探测器；

步骤2、定义模拟光源，根据仿真条件确定具体的光源的波长、功率，以及仿真的光子数；

步骤3、判断所有光子是否仿真完毕，若是，执行步骤12，否则执行步骤4；

步骤4、从光子库当中取出一个光子，设定初始光子初始位置为坐标原点，追踪该光子一次运动的轨迹，包括光子运动一次的步长的确定，散射角的确定，方位角的确定，从而确定该光子的新位置；

步骤5、根据得到的光子的新位置，判断光子是否被系统接收器所接收，若是，则执行步骤11，否则执行步骤6；

步骤6、根据得到的光子的新位置，判断该光子是否离开追踪区域，若是，则执行步骤3，否则执行步骤7；

步骤7、根据得到的光子的新位置，判断光子是否碰到了目标，若是则执行步骤8，否则执行步骤9；

步骤8、若判断光子碰到目标表面，根据目标表面的散射模型，确定光子新的运动方向，并标记该光子；

步骤9、根据随机数以及吸收概率，判断光子是否发生吸收事件，若是，放弃对该光子的追踪，并执行步骤3；否则执行步骤10；

步骤10、光子按照既定规则继续运动一个步长，并确定光子的新位置，并执行步骤5；

步骤11、记录被探测器所接收光子在CCD上的位置，增加所接收到的光子的数量并执行步骤3；

步骤12、统计CCD上光子的数量和位置，计算出模拟后CCD所成像的对比度；

改变水下激光主动成像系统中激光光强、基线距离、目标距离、物镜口径参数中的一个，继续进行步骤1-12的模拟，获得相应的关系曲线，根据获得的关系曲线，综合考虑选取最优参数，完成在某一特定水质条件及周围环境下，系统参数的优化设计。

其中，所述步骤1中建立同步扫描三角测距水下激光成像系统的三维实体模型，激光光源直径4mm；海水介质实体设为立方体，吸收系数系数a＝0.153(1/m)，散射系数c＝0.244(1/m)，规格根据仿真需要自定以满足包涵整个成像系统；探测目标假设为50mmX50mmX20mm长方体，探测器物镜口径设为50mm，线阵CCD长度尺寸为35mm。

所述步骤2中设立光源波长532nm，功率1W，模拟光子数10万个。

所述步骤4中确定一次运动后光子新的位置，具体为：

一次运动后光子新位置由步长、散射角以及方位角共同确定，其中：

步长s的确定：

其中ξ₁为0～1上均匀分布，c为水介质的衰减系数；

方位角的确定：

其中ξ₂为0～1上均匀分布，π为圆周率；

散射角θ采用Henyey-Greenstein状态函数描述：

其中β(θ)为散射相函数，g为各向异性因子，取值范围(-1,1)，表征前向散射和后向散射的比例；

光子运动一次新的位置由下述公式(4)(5)(6)表示，如图5所示：

其中μ_x、μ_y、μ_z为矢量在对应坐标轴下方向余弦，(x’,y’,z’)为光子由(x,y,z)运动一次之后新的位置。

所述步骤8中，如图6所示，目标表面采用双向散射分布函数，即ABG BSDF描述反射、吸收和散射：

其中为镜面方向的单位向量在表面上的投影，为散射方向的单位向量在表面上的投影，两者之间的差的绝对值为BSDF的变量，A、B、G为可选参数。选用准幂数倒数模型(ABG BSDF模型)，并将目标表面的相关光学参数设置为：吸收系率0.3，镜面反射率10^-5，表面散射率0.7，ABG BSDF的参数B＝1，G＝0，利用软件自动求解参数A以满足能量守恒定律。

所述步骤9中，发生散射事件的概率ω₀，发生吸收事件的概率为1-ω₀：

其中b和c分别是激光的散射系数和衰减系数。

所述步骤12中，CCD上目标反射像点对比度C_M为：

其中，N_i为激光照明光点反射像点的光子数，N_b为整个CCD上光子的平均数。

如图7-1所示为目标距离改变与反射像点对比度的关系，此时，基线距离为200mm，成像物镜50mm/F1.4，图中曲线1、曲线2、曲线3分别对应发射激光0.5W、1W、1.5W。由图可见，随着目标距离的增加，图像的对比度呈逐渐下降趋势。

如图7-2所示为激光光强改变与反射像点对比度的关系，此时，基线距离为200mm，成像物镜50mm/F1.4，图中曲线1、曲线2、曲线3分别对应目标距离5m、6m、7m。由图可见，在一定范围内，增大激光光强可以有效提升对比度，但当激光光强增大到一定程度后，再继续增大光强，目标反射光点对比度提升并不明显。

如图7-3所示为基线距离改变与反射像点对比度的关系，此时，激光光强为1W，成像物镜50mm/F1.4，图中曲线1、曲线2、曲线3分别对应目标距离5m、6m、7m。由图可见，随着基线距离的增加，图像对比度呈上升趋势，当基线距离超过500mm时，对比度基本不再增加。

如图7-4所示为物镜口径改变与反射像点对比度的关系，此时，激光光强为1W，基线距离为200mm，图中曲线1、曲线2、曲线3分别对应目标距离5m、6m、7m。由图可知，物镜口径增大成像对比度略有下降，但影响不大。

综合考虑各参数的影响关系，最终确定激光光强为1W、基线距离250mm，成像物镜50mm/F2，如图8所示为优化后得同步扫描三角测距系统的扫描光点反射图像对比度随测量距离的变化曲线，该系统当测量距离为7m时，反射光点图像对比度达到3左右，能较好地获得测量结果，从而保证了同步扫描三角测距系统的实施。

Claims (5)

1.一种水下激光主动成像系统的蒙特卡洛模拟及优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、建立水下激光主动成像系统的三维实体模型，包括激光光源、基线距离和成像物镜相对孔径的系统结构参数、海水介质固有特性、探测目标距离、目标表面散射模型以及探测器；

步骤2、定义模拟光源，根据仿真条件确定具体的光源的波长、功率，以及仿真的光子数；

步骤3、判断所有光子是否仿真完毕，若是，执行步骤12，否则执行步骤4；

步骤4、从光子库当中取出一个光子，设定初始光子初始位置为坐标原点，追踪该光子一次运动的轨迹，包括光子运动一次的步长的确定，散射角的确定，方位角的确定，从而确定该光子的新位置；

步骤5、根据得到的光子的新位置，判断光子是否被系统接收器所接收，若是，则执行步骤11，否则执行步骤6；

步骤6、根据得到的光子的新位置，判断该光子是否离开追踪区域，若是，则执行步骤3，否则执行步骤7；

步骤7、根据得到的光子的新位置，判断光子是否碰到了目标，若是则执行步骤8，否则执行步骤9；

步骤8、若判断光子碰到目标表面，根据目标表面的散射模型，确定光子新的运动方向，并标记该光子；

步骤9、根据随机数以及吸收概率，判断光子是否发生吸收事件，若是，放弃对该光子的追踪，并执行步骤3；否则执行步骤10；

步骤10、光子按照既定规则继续运动一个步长，并确定光子的新位置，并执行步骤5；

步骤11、记录被探测器所接收光子在CCD上的位置，增加所接收到的光子的数量并执行步骤3；

步骤12、统计CCD上光子的数量和位置，计算出模拟后CCD所成像的对比度；

改变水下激光主动成像系统中激光光强、基线距离、目标距离、物镜口径参数中的一个，继续进行步骤1-12的模拟，获得相应的关系曲线，根据获得的关系曲线，综合考虑选取最优参数，完成在某一特定水质条件及周围环境下，系统参数的优化设计。

2.根据权利要求1所述的水下激光主动成像系统的蒙特卡洛模拟及优化设计方法，其特征在于，所述步骤4中确定一次运动后光子新的位置，具体为：

一次运动后光子新位置由步长、散射角以及方位角共同确定，其中：

步长s的确定：

其中ξ₁为0～1上均匀分布，c为水介质的衰减系数；

方位角的确定：

其中ξ₂为0～1上均匀分布，π为圆周率；

散射角θ采用Henyey-Greenstein状态函数描述：

其中β(θ)为散射相函数，g为各向异性因子，取值范围(-1,1)，表征前向散射和后向散射的比例；

光子运动一次新的位置由下述公式(4)(5)(6)表示：

其中μ_x、μ_y、μ_z为矢量在对应坐标轴下方向余弦，(x’,y’,z’)为光子由(x,y,z)运动一次之后新的位置。

3.根据权利要求1所述的水下激光主动成像系统的蒙特卡洛模拟及优化设计方法，其特征在于，所述步骤8中，目标表面采用双向散射分布函数，即ABG BSDF描述反射、吸收和散射：

其中为镜面方向的单位向量在表面上的投影，为散射方向的单位向量在表面上的投影，两者之间的差的绝对值为BSDF的变量，A、B、G为可选参数。

4.根据权利要求1所述的水下激光主动成像系统的蒙特卡洛模拟及优化设计方法，其特征在于，所述步骤9中，发生散射事件的概率ω₀，发生吸收事件的概率为1-ω₀：

其中b和c分别是激光的散射系数和衰减系数。

5.根据权利要求1所述的水下激光主动成像系统的蒙特卡洛模拟及优化设计方法，其特征在于，所述步骤12中，CCD上目标反射像点对比度C_M为：

其中，N_i为激光照明光点反射像点的光子数，N_b为整个CCD上光子的平均数。