CN115200711B - 矢量光束在复杂环境中传输的蒙特卡洛算法及偏振成像方法 - Google Patents

矢量光束在复杂环境中传输的蒙特卡洛算法及偏振成像方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了矢量光束在复杂环境中传输的蒙特卡洛算法及偏振成像方法，属于计算成像领域。传统主动偏振成像方法受湍流、散射粒子的影响，其成像距离和成像质量受限；本发明在传统主动偏振成像模型的基础上，引入矢量光束作为光源，利用矢量光束的特殊结构和特殊偏振特性，消除后向散射光。通过改进的偏振蒙特卡洛算法，对矢量光束在偏振成像系统中的成像过程进行模拟。相比于传统主动偏振成像方法，该方法具有更高的图像重建质量。

Description

矢量光束在复杂环境中传输的蒙特卡洛算法及偏振成像方法
技术领域
本发明涉及矢量光束在复杂环境中传输的蒙特卡洛算法及偏振成像方法，属于计算成像领域，尤其涉及主动偏振成像领域。
背景技术
偏振成像在计算成像领域中，备受瞩目的原因是其利用光的偏振特性这一成像机理，使得其可以获得目标可见光信息之外的光谱、偏振态以及空间形状等参数，通过这些参数信息可以获得目标的本征属性。传统被动偏振成像技术，由于低照度、光波长选择性和散射影响，导致信息缺失、图像对比度差、图像不清晰。因此主动偏振成像技术应运而生，它采用线偏振光、圆偏振光等进行照射，通过偏振物理模型重建图像，解决了低照度环境的问题，可以提高成像清晰度、对比度、探测距离，抑制背景及干扰，可用于识别目标及目标特征部位。然而由于湍流和散射，在获得目标成像过程中存在两个弊病：一是偏振光传输距离受限，其原因是由于湍流问题，光束扩展大、光束质量差；二是成像清晰度受限，其原因是线偏振光和圆偏振光作为光源可以解决部分散射影响，但是成像质量仍受后向散射光影响。
针对主动偏振成像方法出现的上述问题，本发明提出了矢量光束在复杂环境中传输的蒙特卡洛算法及偏振成像方法。
发明内容
矢量光束在复杂环境中传输的蒙特卡洛算法及偏振成像方法，本方法适用于主动偏振成像系统。传统主动偏振成像系统包括光源、偏振成像装置、目标、计算机等四部分。本发明由矢量光束作为主动光源照射复杂环境下被遮挡的目标物，使用蒙特卡洛算法，对所述复杂环境进行模拟，建立米氏散射模型，由于矢量光束不均匀光场，使用拒绝法对其每个像素点的散射角的进行计算，获得矢量光束照射复杂环境的后向散射光强图像、后向散射光偏振度图，再使用偏振反演成像算法，获得所述目标图像。本方法包括以下三个步骤：步骤1，构建矢量光束生成模型；步骤2，蒙特卡洛算法模拟矢量光束透过复杂环境获取偏振信息；步骤3，利用偏振反演成像方法目标图像重建。
定义与光束传播方向垂直的横截面上像素点坐标为(x,y)，像素数量分别为Nx、Ny。
步骤1：由所述偏振成像模型，引入矢量光束作为光源。利用马赫曾德干涉法，两个空间光调制器进行相位调制，将两束带有不同位相差的左右旋圆偏振光的共线相干叠加合成圆柱轴对称矢量光束。矢量光束复振幅的向量形式表示为E(x,y,z)，其维度为(Nx×Ny)×1；
Figure BDA0003677705980000021
其中H为厄米特多项式，其维度为(Nx×Ny)×1；其stokes矢量表示为S＝(S0，S1，S2，S3)T；S0为总光强，S1为x轴方向线偏振光分量，S2为45°方向线偏振光分量，S3为右旋圆偏振光分量。
步骤2：使用蒙特卡洛算法，模拟散射粒子散射，矢量光束散射相函数表示为I，其维度为(Nx×Ny)×1；
Figure BDA0003677705980000022
其中Mj(j＝1,2)为辐射物性和散射角θ的函数，由于矢量光束不均匀光场，各像素点偏振态不同，
Figure BDA0003677705980000023
为所述矢量光束各像素点散射相函数，S1(x,y)为所述矢量光束各像素点x轴方向线偏振光分量，S2(x,y)为所述矢量光束各像素点45°方向线偏振光分量，S3(x,y)为所述矢量光束各像素点右旋圆偏振光分量；
所述拒绝法求解单、多次散射角，散射最大值表示为Imax，其维度为(Nx×Ny)×1；
Figure BDA0003677705980000024
其中矢量光束不均匀光场，各像素点偏振态不同，
Figure BDA0003677705980000025
为所述矢量光束各像素点散射相函数光子数为n的最大值，所述θn为所述各散射角，所述Imax为各像素点光强最大值集合，取I≥RImax时散射角，R为(0,1)均匀随机数；
使用偏振蒙特卡洛算法，对所述矢量光束散射过程进行模拟，与目标物相互作用，利用偏振成像算法，获得矢量光束照射目标物其后向散射光强IB和后向散射光偏振度phou
Figure BDA0003677705980000026
Figure BDA0003677705980000027
其中Ω为所述背景区域，其维度为(Nx×Ny)×1；
Figure BDA0003677705980000028
为所述矢量光束后向散射光各像素点总光强，/>
Figure BDA0003677705980000029
为所述矢量光束后向散射光各像素点x轴方向线偏振光分量，/>
Figure BDA0003677705980000031
为所述矢量光束后向散射光各像素点45°方向线偏振光分量，/>
Figure BDA0003677705980000032
为所述矢量光束后向散射光各像素点右旋圆偏振光分量。
步骤3：根据所述成像系统获得偏振信息，使用偏振反演成像方法进行图像重建。
附图说明
图1具体实施方式的装置图，1矢量光束光源，2复杂环境中的目标，3 1/2波片，41/4波片，5偏振片，6 CCD。图2偏振成像-蒙特卡洛仿真模拟流程图。图3(a)为后向散射光强图，图3(b)为后向散射光偏振度图。图4(a)为散射后的目标图，图4(b)为传统方法目标图，图4(c)为根据本发明所提出方法进行仿真实验得到的反演成像图。
具体实施方式
实施例1
图1为具体实施方式的装置图，其包括矢量光束光源(1)，复杂环境中的目标(2)，1/2波片(3)，1/4波片(4)，偏振片(5)，CCD(6)。
结合图1所示的装置，对本发明进一步说明。
在仿真过程中，由所述利用马赫曾德干涉法，将两束带有不同位相差的左右旋圆偏振光的共线相干叠加合成圆柱轴对称矢量光束。矢量光束复振幅的向量形式表示为E(x,y,z)，其维度为(Nx×Ny)×1；
Figure BDA0003677705980000033
其中H为厄米特多项式，其维度为(Nx×Ny)×1；其stokes矢量表示为S＝(S0，S1，S2，S3)T；其中S0为总光强，S1为x轴方向线偏振光分量，S2为45°方向线偏振光分量，S3为右旋圆偏振光分量。
步骤2：矢量光束照射处于复杂环境的目标物并相互作用，获得0度，45度，90度偏振信息从而获得光强和偏振度。在仿真过程中，使用蒙特卡洛算法模拟矢量光束经过复杂介质与目标物作用。
步骤2.1确定入射光初始状态；
步骤2.2，确定进入介质的光子每碰撞一次光子的位置；
步骤2.3，确定散射角θ、方位角β；
步骤2.4，确定光束与目标物相互作用前后向散射光强、后向散射光偏振度及无穷远处光强；
步骤2.1中，入射光初始状态包括光子的初始位置坐标(x,y,z)，运动方向坐标、偏振态权重和Stokes矢量参数确定矢量光束偏振态；
步骤2.2中，确定好光子初始位置，将矢量光束入射，每碰撞一次光子位置的移动如下：光子运动距离表示为Δs；
Figure BDA0003677705980000041
其中ζ是由软件生成的在(0，1]之间的一个随机数，而另外参数ut＝ua+us，ua是介质的吸收系数，而us是介质的散射系数。故在每次散射和吸收之间的行程路径都被设定为Δs。光子的轨道的方向余弦为(ux,uy,uz)，根据Witt的研究光子运动到一个新的位置(x',y',z')需满足下列方程式
Figure BDA0003677705980000042
步骤2.3中，模拟散射粒子散射，矢量光束散射相函数表示为I，其维度为(Nx×Ny)×1；
Figure BDA0003677705980000043
其中Mj(j＝1,2)为辐射物性和散射角θ的函数，由于矢量光束不均匀光场，各像素点偏振态不同，
Figure BDA0003677705980000044
为所述矢量光束各像素点散射相函数，S1(x,y)为所述矢量光束各像素点x轴方向线偏振光分量，S2(x,y)为所述矢量光束各像素点45°方向线偏振光分量，S3(x,y)为所述矢量光束各像素点右旋圆偏振光分量；
所述拒绝法求解单、多次散射角，散射最大值表示为Imax，其维度为(Nx×Ny)×1；
Figure BDA0003677705980000045
其中矢量光束不均匀光场，各像素点偏振态不同，
Figure BDA0003677705980000046
为所述矢量光束各像素点散射相函数光子数为n的最大值，所述θn为所述各散射角，所述Imax为各像素点光强最大值集合，取I≥RImax时散射角，R为(0,1)均匀随机数；
步骤2.4中，根据上述散射角计算获得散射后stokes矢量；获得矢量光束照射目标物其后向散射光强IB和后向散射光偏振度phou
Figure BDA0003677705980000051
Figure BDA0003677705980000052
其中Ω为所述背景区域，其维度为(Nx×Ny)×1；
Figure BDA0003677705980000053
为所述矢量光束后向散射光各像素点总光强，/>
Figure BDA0003677705980000054
为所述矢量光束后向散射光各像素点x轴方向线偏振光分量，/>
Figure BDA0003677705980000055
为所述矢量光束后向散射光各像素点45°方向线偏振光分量，
Figure BDA0003677705980000056
为所述矢量光束后向散射光各像素点右旋圆偏振光分量；
图2为偏振成像-蒙特卡洛仿真模拟流程图。图3(a)为后向散射光强图，图3(b)为后向散射光偏振度图。
步骤3中，使用偏振反演成像方法进行图像重建的表达式为
Figure BDA0003677705980000057
其中，L为所述目标的重建图像，A∞为无穷远处区域光强值，t为透过率函数。
图4(a)为散射后的目标图，图4(b)为传统方法目标图，图4(c)为根据本发明所提出方法进行仿真实验得到的反演成像图。本发明的仿真结果图像清晰更高，成像质量更好。
具体实施方式中的实施例仅代表本发明的一种实施方式。实施例1是按照本发明所提出方法，设计的一种实施装置及流程，不代表本发明的保护范围。所有从事相关技术领域的技术人员，均能够按照本发明提出方法设计多种不同的实施例。凡实施方式符合本发明权利要求，均在本专利的保护范围内。

Claims (2)

1.一种矢量光束在复杂环境中传输的蒙特卡洛算法及偏振成像方法，其特征在于，包括以下三个步骤：
定义与光束传播方向垂直的横截面上像素点坐标为(x,y)，像素数量分别为Nx、Ny；
偏振成像系统至少由依次放置的光源、偏振成像装置、目标、计算机组成；
步骤1：
利用马赫曾德干涉法，两个空间光调制器进行相位调制，将两束带有不同位相差的左右旋圆偏振光的共线相干叠加合成圆柱轴对称矢量光束；对于偏振成像模型，引入矢量光束作为水下偏振成像系统的主动光源；
步骤2：
使用蒙特卡洛算法，模拟散射粒子散射；
矢量光束散射相函数表示为I，其维度为(Nx×Ny)×1；
Figure FDA0004273882450000011
其中Mj(θ)(j＝1,2)为辐射物性和散射角θ的函数，β为入射角，由于矢量光束不均匀光场，各像素点偏振态不同，
Figure FDA0004273882450000012
为所述矢量光束各像素点散射相函数，
Figure FDA0004273882450000013
为所述矢量光束各像素点x轴方向线偏振光分量，/>
Figure FDA0004273882450000014
为所述矢量光束各像素点45°方向线偏振光分量，/>
Figure FDA0004273882450000015
为所述矢量光束各像素点右旋圆偏振光分量；
利用拒绝法求解单、多次散射角，矢量光束散射最大值为各像素点光强最大值集合，可以用Imax表示，其维度为(Nx×Ny)×1；
Figure FDA0004273882450000016
其中矢量光束不均匀光场，各像素点偏振态不同，
Figure FDA0004273882450000017
为所述矢量光束各像素点散射相函数光子数为n的最大值，θn为所述各散射角，取I≥RImax时散射角，R为(0,1)均匀随机数；
当矢量光束与目标物相互作用时，利用偏振成像算法，获得矢量光束照射目标物其后向散射光强IB和后向散射光偏振度phou；
Figure FDA0004273882450000018
Figure FDA0004273882450000021
其中Ω为所述目标物所在背景区域的像素数，其维度为(Nx×Ny)×1；
Figure FDA0004273882450000022
为所述矢量光束后向散射光各像素点总光强，/>
Figure FDA0004273882450000023
为所述矢量光束后向散射光各像素点x轴方向线偏振光分量，/>
Figure FDA0004273882450000024
为所述矢量光束后向散射光各像素点45°方向线偏振光分量，/>
Figure FDA0004273882450000025
为所述矢量光束后向散射光各像素点右旋圆偏振光分量；
步骤3：
利用偏振反演成像算法获得所述目标物的复振幅，对其进行去散射反演成像，获得目标重建图。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于：通过在步骤3中所述目标物的复振幅，获得散射后矢量光束stokes矢量偏振信息，使用偏振反演成像方法进行图像重建的表达式为L(x,y)；
Figure FDA0004273882450000026
其中，A∞为无穷远处区域光强值，t(x,y)为透过率函数。
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