CN115630529A - 一种基于蒙特卡洛的目标物跨界质成像仿真方法 - Google Patents

一种基于蒙特卡洛的目标物跨界质成像仿真方法 Download PDF

Info

Publication number
CN115630529A
CN115630529A CN202211560313.3A CN202211560313A CN115630529A CN 115630529 A CN115630529 A CN 115630529A CN 202211560313 A CN202211560313 A CN 202211560313A CN 115630529 A CN115630529 A CN 115630529A
Authority
CN
China
Prior art keywords
photon
photons
lens
angle
refraction
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202211560313.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN115630529B (zh
Inventor
孙梦楠
韩晴
付民
闵健
吴国帅
郑冰
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ocean University of China
Original Assignee
Ocean University of China
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ocean University of China filed Critical Ocean University of China
Priority to CN202211560313.3A priority Critical patent/CN115630529B/zh
Publication of CN115630529A publication Critical patent/CN115630529A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN115630529B publication Critical patent/CN115630529B/zh
Priority to ZA2023/10738A priority patent/ZA202310738B/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F17/00—Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
    • G06F17/10—Complex mathematical operations
    • G06F17/11—Complex mathematical operations for solving equations, e.g. nonlinear equations, general mathematical optimization problems
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T7/00—Image analysis
    • G06T7/70—Determining position or orientation of objects or cameras

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Data Mining & Analysis (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Operations Research (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
  • Algebra (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Databases & Information Systems (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

本发明提供了一种基于蒙特卡洛的目标物跨界质成像仿真方法，属于水下对空成像技术领域，首先生成二维随机粗糙海面，构建目标物光源发射体，构建简易光学透镜球面，设定大气和水体的固有光学特性，设定目标物的点光源所发射光子的初始状态等；然后基于构建的仿真模型，用蒙特卡洛方法对光子在介质中的传输过程进行追迹，包括在粗糙的海‑气界面处光子被波浪反射、折射的物理过程；最后，统计接收从透镜出射的光子与探测平面相交时的位置信息及权重能量信息，获取目标物水下对空成像的仿真结果。本发明可以更加直观、全面、系统地分析大气、水体光学传输特性和海面海况对水下对空成像的影响，为水下对空成像系统的设计优化提供可视化参考依据。

Description

一种基于蒙特卡洛的目标物跨界质成像仿真方法
技术领域
本发明属于水下对空成像技术领域，尤其涉及一种基于蒙特卡洛的目标物跨界质成像仿真方法。
背景技术
目前水下对空成像的仿真模拟局限于利用计算机图形学的方式，基于光线在水-气交界面处的折射原理，分析水面波动所造成的图像扭曲，从而对空中目标物跨越波动水面的图片进行处理。
在现实中，整个水下对空成像的过程是十分复杂多变的。不但因为光线在穿过海面时，波浪对光线的折射会造成图像的畸变扭曲；而且由于大气、水体对光的散射和吸收作用存在，会降低图像的对比度和清晰度，对成像质量造成影响；除此之外，海浪具有复杂的波动规律，难以用静态的几何图形进行描述。计算机图形学的方式仅考虑波浪折射单一因素对成像的影响，无法直观、全面、系统地综合分析大气、水体光学传输特性和海面海况对水下对空成像的影响。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种基于蒙特卡洛的目标物跨界质成像仿真方法，并包括以下步骤：
步骤1，设定三维直角坐标系，所述坐标系
Figure 165848DEST_PATH_IMAGE001
轴垂直于水面向下，
Figure 834727DEST_PATH_IMAGE002
平面与平静海 面重合，平静海面从原点
Figure 500195DEST_PATH_IMAGE003
开始向下测量为正，
Figure 51262DEST_PATH_IMAGE004
轴满足右手螺旋法则，设定海面高度 10m处的风速
Figure 522694DEST_PATH_IMAGE005
，生成二维随机粗糙海面；设定大气和水体的固有光学特性；设定目标物的 点光源所发射光子的初始状态，构建目标物光源发射体，包括目标物光源的位置坐标为
Figure 718183DEST_PATH_IMAGE006
，出射光子的天顶角
Figure 148028DEST_PATH_IMAGE007
、方位角
Figure 858495DEST_PATH_IMAGE008
以及光子的初始权重
Figure 602460DEST_PATH_IMAGE009
；其中天顶角
Figure 777089DEST_PATH_IMAGE007
为光子与
Figure 253201DEST_PATH_IMAGE001
轴方向的夹角，方位角
Figure 185385DEST_PATH_IMAGE008
为光子的发射方向在
Figure 795358DEST_PATH_IMAGE002
平面内的投影与
Figure DEST_PATH_IMAGE010
轴正向的夹角；构建简易 光学透镜球面，设定透镜的位置坐标
Figure 231018DEST_PATH_IMAGE011
折射率
Figure 875102DEST_PATH_IMAGE012
、曲率半径
Figure 622478DEST_PATH_IMAGE013
、厚度
Figure 177087DEST_PATH_IMAGE014
和通 光直径D；
步骤2，根据目标物的点光源出射光子的初始状态发射光子，基于蒙特卡洛方法对 光子在气、水介质中传输时的运动位置
Figure 60730DEST_PATH_IMAGE015
、运动方向
Figure 737699DEST_PATH_IMAGE016
、运动步长s和权重
Figure 847737DEST_PATH_IMAGE009
的 状态特性进行追迹，模拟光子与介质中分子和粒子作用所发生的散射、吸收的光子事件，以 及模拟在粗糙的海-气界面处光子被波浪反射、折射的物理过程；
步骤3，计算光子与透镜面曲面的交点坐标
Figure 2775DEST_PATH_IMAGE017
，对光子经过光学系统透 镜曲面的过程进行光线追迹，更新光子经透镜折射后的方向信息
Figure 272082DEST_PATH_IMAGE018
，并在透镜 后设置探测平面，统计接收从透镜出射的光子与探测平面相交时的位置信息及权重能量信 息，获取目标物水下对空成像的仿真结果。
在一种可能的设计中，所述步骤1中设定大气和水体的固有光学特性包括大气的 吸收系数
Figure 854373DEST_PATH_IMAGE019
、海水的吸收系数
Figure 451708DEST_PATH_IMAGE020
、大气的散射系数
Figure 410437DEST_PATH_IMAGE021
、海水的散射系数
Figure 940775DEST_PATH_IMAGE022
、海水的折 射率
Figure 490705DEST_PATH_IMAGE023
、大气的折射率
Figure 575336DEST_PATH_IMAGE024
、大气的不对称因子
Figure 72176DEST_PATH_IMAGE025
和海水的不对称因子
Figure 50497DEST_PATH_IMAGE026
。
在一种可能的设计中，所述生成二维随机粗糙海面具体为：
S11，生成X方向的长度为Lx，Y方向的长度为Ly的二维海面；
S12，设定X、Y方向上等间隔离散采样点数分别为M和N；
S13，生成[-1,1]区间内均匀分布的M*N二维随机白噪声；
S14，对随机白噪声进行傅里叶变换处理；
S15，在波数域运用JONSWAP海浪功率谱和方向函数对随机白噪声进行滤波；
S16，对JONSWAP海浪功率谱和方向函数滤波后的随机白噪声进行傅里叶逆变换从而得到二维随机粗糙海面。
在一种可能的设计中，所述构建目标物光源发射体具体为：
设定目标物光源的位置坐标
Figure 240169DEST_PATH_IMAGE006
，目标物光源选取激光光源或朗伯点光源，设 定沿坐标轴Z轴方向发射的光子权重为
Figure 812096DEST_PATH_IMAGE027
；当采用激光光源时，光子的天顶角
Figure 378207DEST_PATH_IMAGE007
的取值范围 为
Figure 148717DEST_PATH_IMAGE028
，光子的方位角
Figure 571608DEST_PATH_IMAGE008
的取值范围为
Figure 693147DEST_PATH_IMAGE029
，设定循环步进角度为0.001°，光子的 初始权重
Figure 469474DEST_PATH_IMAGE030
；当采用朗伯点光源时，光子的天顶角
Figure 891228DEST_PATH_IMAGE007
的取值范围为
Figure 357457DEST_PATH_IMAGE031
，光子的方 位角
Figure 700713DEST_PATH_IMAGE008
的取值范围为
Figure 670943DEST_PATH_IMAGE029
，设定循环步进角度为1°，光子的初始权重
Figure 416045DEST_PATH_IMAGE032
。
在一种可能的设计中，所述构建简易光学透镜球面具体为：利用球面方程
Figure 56105DEST_PATH_IMAGE033
构建透镜上下表面，其中
Figure 886658DEST_PATH_IMAGE013
为透镜上下表面的曲率半径，
Figure 129421DEST_PATH_IMAGE034
为 透镜位于坐标系中的空间位置，并设置透镜上下表面间距
Figure 994608DEST_PATH_IMAGE014
。
在一种可能的设计中，所述步骤2中模拟在粗糙的海-气界面处光子被波浪反射、折射的物理过程具体为：
S21，判断光子是否遇到海-气边界；
通过相邻两次光子事件发生的位置坐标和该位置坐标处海浪的高度关系，判断光子是否和波浪平面相交；
S22，更新光子在海-气边界处发生反射、折射后的方向信息；
当光子遇水时，求出光子路径和波动海面的交点坐标
Figure 805570DEST_PATH_IMAGE035
，并通过该点处波高和 该点处临近两点的波高计算出该点处波面的法线方向
Figure 123418DEST_PATH_IMAGE036
；
由光子入射方向向量
Figure 169872DEST_PATH_IMAGE037
和波面法向量
Figure 296091DEST_PATH_IMAGE036
的关系：
Figure 402587DEST_PATH_IMAGE038
求出光子的入射角
Figure 207732DEST_PATH_IMAGE039
：
Figure 933243DEST_PATH_IMAGE040
其中
Figure 507443DEST_PATH_IMAGE041
，
Figure 784841DEST_PATH_IMAGE042
；
设光子入射面法向量为
Figure 811703DEST_PATH_IMAGE043
，则根据光子入射方向向量
Figure 340904DEST_PATH_IMAGE044
、海面法线方 向向量
Figure 769612DEST_PATH_IMAGE045
与入射面法向量
Figure 217910DEST_PATH_IMAGE046
的几何关系：
Figure 997648DEST_PATH_IMAGE047
由此可解得：
Figure 64961DEST_PATH_IMAGE043
其具体表达式如下所示：
Figure 348175DEST_PATH_IMAGE048
设光子的折射角为
Figure 232954DEST_PATH_IMAGE049
，折射方向向量为
Figure 234408DEST_PATH_IMAGE050
；当光从折射率为
Figure 167729DEST_PATH_IMAGE051
的 介质向折射率为
Figure 508712DEST_PATH_IMAGE052
的介质传输时，根据Snell折射定律
Figure 502075DEST_PATH_IMAGE053
可得折射角：
Figure 787563DEST_PATH_IMAGE054
式中
Figure 524575DEST_PATH_IMAGE039
为入射角，
Figure 717134DEST_PATH_IMAGE049
为折射角；
由折射方向向量
Figure 615820DEST_PATH_IMAGE055
与入射面法向量
Figure 654183DEST_PATH_IMAGE046
、海面法向量
Figure 929307DEST_PATH_IMAGE045
三者的几何关系：
Figure 979303DEST_PATH_IMAGE056
，
Figure 314469DEST_PATH_IMAGE057
，
Figure 574549DEST_PATH_IMAGE058
由此可解得：
Figure 653363DEST_PATH_IMAGE059
其具体表达式如下所示：
Figure 557866DEST_PATH_IMAGE060
其中A、B、C的表示为：
Figure 860671DEST_PATH_IMAGE061
其中参数p、q的表示为：
Figure 76889DEST_PATH_IMAGE062
Figure 693815DEST_PATH_IMAGE063
式中参数A、B、C、p、q仅指代所表示的多项式，无物理含义；
根据Snell折射定律公式：
Figure 718403DEST_PATH_IMAGE064
由上述公式可知，当光子从大气入射到水中时，海水中的折射角小于大气中入射 角；当光子从海水中入射到大气时，海水中的入射角大于大气中的折射角，由此在所求的折 射方向向量
Figure 129792DEST_PATH_IMAGE055
的两个解中进行取舍；折射定律公式中
Figure 364465DEST_PATH_IMAGE065
，为海水的折射率，
Figure 785082DEST_PATH_IMAGE066
为大气的折射率，
Figure 992072DEST_PATH_IMAGE067
和
Figure 777625DEST_PATH_IMAGE068
为大气、海水介质中的入射角、折射角；
设光子的反射角为
Figure 437277DEST_PATH_IMAGE069
，反射方向向量为
Figure 458323DEST_PATH_IMAGE070
，由反射方向向 量
Figure 519819DEST_PATH_IMAGE071
与入射方向向量
Figure 476274DEST_PATH_IMAGE044
、海面法线方向向量
Figure 357642DEST_PATH_IMAGE045
三者的几何关系：
Figure 588904DEST_PATH_IMAGE072
，
Figure 504907DEST_PATH_IMAGE073
，
Figure 756897DEST_PATH_IMAGE074
由此可解得：
Figure 391141DEST_PATH_IMAGE070
其具体表达式如下所示：
Figure 629355DEST_PATH_IMAGE075
其中参数A、B、C的表示为：
Figure 399865DEST_PATH_IMAGE076
；
式中参数A、B、C仅指代所表示的多项式，无物理含义；
S23，更新跨界质传输的光子权重；
Figure 822756DEST_PATH_IMAGE077
利用上述海-气界面的菲涅尔反射率公式进行边界处理，式中
Figure 678716DEST_PATH_IMAGE039
为入射角，
Figure 717692DEST_PATH_IMAGE049
为折 射角；因为菲涅尔反射率
Figure 608288DEST_PATH_IMAGE078
的取值范围为
Figure 202080DEST_PATH_IMAGE079
，根据蒙特卡洛方法，生成
Figure 545337DEST_PATH_IMAGE079
之间均匀分 布的随机数
Figure 125354DEST_PATH_IMAGE013
，将
Figure 667194DEST_PATH_IMAGE013
与
Figure 41674DEST_PATH_IMAGE078
进行比较，若
Figure 872227DEST_PATH_IMAGE080
则判定为光子被反射不进行跨界质传输， 若
Figure 380569DEST_PATH_IMAGE081
则判定为光子被折射，可以进行跨界质传输；
若光子进行跨界质传输，则对光子的权重进行处理，设光子进行跨界质传输前的 权重为
Figure 245757DEST_PATH_IMAGE009
， 则光子在发生折射后的权重为：
Figure 56718DEST_PATH_IMAGE082
，其中
Figure 108987DEST_PATH_IMAGE078
为海-气介质交 界面的菲涅尔反射率。
在一种可能的设计中，所述步骤3的具体过程为：
S31，通过相邻两次光子事件发生的位置坐标和透镜上表面位置坐标的高度关系， 判断光子是否和透镜上表面曲面相交；若光子与透镜上表面平面相交，求出光子与透镜上 表面的交点坐标
Figure 421020DEST_PATH_IMAGE083
，并更新光子入射透镜后的方向信息
Figure 140714DEST_PATH_IMAGE084
；
S32，通过相邻两次光子事件发生的位置坐标和透镜下表面位置坐标的高度关系， 判断光子是否和透镜下表面曲面相交；若光子与透镜下表面平面相交，求出光子与透镜下 表面的交点坐标
Figure 122577DEST_PATH_IMAGE085
，并更新光子从透镜出射的方向信息
Figure 662143DEST_PATH_IMAGE086
；
S33，在透镜后设置探测平面，用于统计接收从透镜出射的光子的位置信息
Figure 512287DEST_PATH_IMAGE035
, 及光子的权重能量信息
Figure 493012DEST_PATH_IMAGE009
；
S34，基于探测面接收的光子的坐标信息
Figure 770410DEST_PATH_IMAGE035
,及光子的权重能量信息
Figure 62851DEST_PATH_IMAGE009
，生成目 标物经气、水介质，跨海-气边界传输的成像仿真结果。
在一种可能的设计中，所述步骤S31和S32的具体过程为：
已知的光子的位置信息
Figure 326473DEST_PATH_IMAGE087
及状态信息
Figure 20760DEST_PATH_IMAGE088
，则光子传输路径的直线 方程形式表达为：
Figure 469059DEST_PATH_IMAGE089
将其与透镜上下表面所在球面的方程
Figure 983217DEST_PATH_IMAGE033
联立，其中
Figure 50530DEST_PATH_IMAGE013
为透镜上 下表面的曲率半径，
Figure 599323DEST_PATH_IMAGE034
为透镜位于坐标系中的空间位置，求解出光子传输路径与 透镜面曲面的交点坐标
Figure 952944DEST_PATH_IMAGE017
；
根据交点坐标
Figure 889151DEST_PATH_IMAGE017
和该点处临近两点的透镜曲面坐标确定交点处透镜曲 面法线方向向量
Figure 822472DEST_PATH_IMAGE036
；
由光子入射方向向量
Figure 22509DEST_PATH_IMAGE037
和透镜曲面法向量
Figure 687977DEST_PATH_IMAGE036
的几何关系：
Figure 973465DEST_PATH_IMAGE038
其中
Figure 710477DEST_PATH_IMAGE041
，
Figure 905966DEST_PATH_IMAGE042
，求出光子的入射角
Figure 804652DEST_PATH_IMAGE039
：
Figure 843015DEST_PATH_IMAGE040
设光子入射面法向量为
Figure 118138DEST_PATH_IMAGE043
，则根据光子入射方向向量
Figure 168134DEST_PATH_IMAGE044
、透镜上表面 法线方向向量
Figure 503300DEST_PATH_IMAGE045
与入射面法向量
Figure 763380DEST_PATH_IMAGE046
三者的几何关系：
Figure 842195DEST_PATH_IMAGE047
由此可解得：
Figure 277855DEST_PATH_IMAGE043
其具体表达式为：
Figure 783923DEST_PATH_IMAGE048
设光子被透镜折射的折射角为
Figure 141086DEST_PATH_IMAGE049
，折射方向向量为
Figure 820329DEST_PATH_IMAGE050
；当光从折 射率为
Figure 907234DEST_PATH_IMAGE051
的介质向折射率为
Figure 849782DEST_PATH_IMAGE052
的介质传输时，根据Snell折射定律：
Figure 959821DEST_PATH_IMAGE053
式中
Figure 380438DEST_PATH_IMAGE039
为入射角，
Figure 118586DEST_PATH_IMAGE049
为折射角，可得折射角：
Figure 904140DEST_PATH_IMAGE054
由折射方向向量与入射面法向量、透镜曲面法向量
Figure 563791DEST_PATH_IMAGE045
三者的几何关系：
Figure 584837DEST_PATH_IMAGE056
，
Figure 73366DEST_PATH_IMAGE057
，
Figure 92138DEST_PATH_IMAGE058
，
由此可解得：
Figure 301402DEST_PATH_IMAGE050
其具体表达式如下所示：
Figure 63822DEST_PATH_IMAGE090
其中A、B、C的表示为：
Figure 917509DEST_PATH_IMAGE091
其中参数p、q的表示为：
Figure 903919DEST_PATH_IMAGE062
Figure 272584DEST_PATH_IMAGE063
式中参数A、B、C、p、q仅指代所表示的多项式，无物理含义。
与现有技术相比，本发明提出一种基于蒙特卡洛的目标物跨界质成像仿真方法，追踪水下对空成像全过程中，空中目标物所出射的光子进行跨界质传输的状态变化，并通过光线追迹法获得目标物经透镜后的成像仿真结果，实现水下对空成像的可视化仿真模拟。本发明可以更加直观、全面、系统地分析大气、水体光学传输特性和海面海况对水下对空成像的影响，为水下对空成像系统的设计优化提供可视化参考依据。
其中，通过JONSWAP海谱和方向函数，运用线性过滤法实现了粗糙海面几何模型的建立，可以在保证较高真实性的同时，也有着良好的实时性。当光子遇到粗糙的海气边界时，通过Snell折射定律进行边界处理，基于几何关系计算光子跨界质传输的位置信息、方向信息，并采用菲涅尔反射率作为光子能否跨越不同介质的边界的判据，更新光子跨界质传输的权重信息，可以真实、有效地模拟光子穿过随机波动的海面的过程。 并且，充分考虑光学成像系统的镜头透镜对光线折射的影响，对光子经过光学系统透镜曲面的过程进行光线追迹，获取目标物经光学系统后的成像结果。
本发明以海洋光学理论、海面波浪的数理统计分析，以及光线在不同介质的传播特性为仿真方法的理论基础，利用海洋光学和大气光学的测量数据，提出一种基于蒙特卡洛方法的目标物跨界质成像仿真方法。相较于基于计算机图形学的水下对空成像仿真算法，本发明具有更好的物理支撑，并且综合考虑海、气介质对光子的吸收、散射作用，和波浪的折射作用这二者对成像质量的影响，可以更加直观、全面、系统地分析大气、水体的光学传输特性和海面海况对水下对空成像的影响，为水下对空成像系统的设计优化提供可视化参考依据。
附图说明
图1为基于蒙特卡洛的目标物跨界质成像仿真方法的流程示意图。
图2为生成的二维随机粗糙海面效果展示图。
图3为蒙特卡洛光子传输仿真效果展示图。
图4为空中目标物跨越粗糙的海-气界面后的光子分布情况展示图。
图5为探测面接收的目标物经气、水介质，跨海-气边界传输的成像仿真结果展示图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对发明进行进一步说明。
本发明提出一种基于蒙特卡洛的目标物跨界质成像仿真方法，以光子在大气和水体中的辐射传输理论为基础，基于蒙特卡洛方法追踪水下对空成像全过程中光子的状态变化，并基于光线追迹法获取最终的标物跨界质成像仿真结果。仿真方法的流程如图1所示：
步骤1，设定三维直角坐标系，所述坐标系
Figure 510798DEST_PATH_IMAGE001
轴垂直于水面向下，
Figure 546887DEST_PATH_IMAGE002
平面与平静海 面重合，平静海面从原点
Figure 969778DEST_PATH_IMAGE003
开始向下测量为正，
Figure 825739DEST_PATH_IMAGE004
轴满足右手螺旋法则，设定海面高度 10m处的风速
Figure 867644DEST_PATH_IMAGE005
，生成二维随机粗糙海面；设定大气和水体的固有光学特性；包括大气的吸 收系数
Figure 23819DEST_PATH_IMAGE019
、海水的吸收系数
Figure 555294DEST_PATH_IMAGE020
、大气的散射系数
Figure 960868DEST_PATH_IMAGE021
、海水的散射系数
Figure 603202DEST_PATH_IMAGE022
、海水的折射 率
Figure 285987DEST_PATH_IMAGE023
、大气的折射率
Figure 988364DEST_PATH_IMAGE024
、大气的不对称因子
Figure 881234DEST_PATH_IMAGE025
和海水的不对称因子
Figure 327258DEST_PATH_IMAGE026
；设定目标物 的点光源所发射光子的初始状态，构建目标物光源发射体，包括目标物光源的位置坐标为
Figure 864550DEST_PATH_IMAGE006
，出射光子的天顶角
Figure 737828DEST_PATH_IMAGE007
、方位角
Figure 117994DEST_PATH_IMAGE008
以及光子的初始权重
Figure 367710DEST_PATH_IMAGE009
；其中天顶角
Figure 759508DEST_PATH_IMAGE007
为光子与
Figure 803687DEST_PATH_IMAGE001
轴方向的夹角，方位角
Figure 405570DEST_PATH_IMAGE008
为光子的发射方向在
Figure 131080DEST_PATH_IMAGE002
平面内的投影与
Figure 502019DEST_PATH_IMAGE010
轴正向的夹角；构建简易 光学透镜球面，设定透镜的位置坐标
Figure 717100DEST_PATH_IMAGE011
折射率
Figure 944294DEST_PATH_IMAGE012
、曲率半径
Figure 270233DEST_PATH_IMAGE013
、厚度
Figure 761257DEST_PATH_IMAGE014
和通 光直径D。
生成二维随机粗糙海面具体过程为：
S11，生成X方向的长度为Lx，Y方向的长度为Ly的二维海面；
S12，设定X、Y方向上等间隔离散采样点数分别为M和N；
S13，生成[-1,1]区间内均匀分布的M*N二维随机白噪声；
S14，对随机白噪声进行傅里叶变换处理；
S15，在波数域运用JONSWAP海浪功率谱和方向函数对随机白噪声进行滤波；
JONSWAP海浪功率谱一维形式为：
Figure 412819DEST_PATH_IMAGE092
其中，
Figure 599080DEST_PATH_IMAGE093
为重力加速度；
Figure DEST_PATH_IMAGE094
为峰升高因子，其定义为
Figure 525448DEST_PATH_IMAGE095
；
Figure 11924DEST_PATH_IMAGE096
为峰频率；
Figure 568807DEST_PATH_IMAGE097
为 谱峰值，
Figure 39103DEST_PATH_IMAGE098
为PM谱的峰值（
Figure 972424DEST_PATH_IMAGE094
的观测值介于
Figure 438040DEST_PATH_IMAGE099
，平均值为3.3）；
Figure 165825DEST_PATH_IMAGE100
称为峰形参数，其值 为
Figure 592258DEST_PATH_IMAGE101
；无因次常数
Figure 63691DEST_PATH_IMAGE102
；无因次风区
Figure 383814DEST_PATH_IMAGE103
（
Figure 548079DEST_PATH_IMAGE010
为风区，
Figure 461808DEST_PATH_IMAGE005
为 10米高处的风速），且
Figure 471353DEST_PATH_IMAGE104
；无因次峰频率
Figure 911561DEST_PATH_IMAGE105
。
在二维情况下，加入风向的影响，引入方向因子：
Figure 981148DEST_PATH_IMAGE106
其中:
Figure 382174DEST_PATH_IMAGE107
式中
Figure 726568DEST_PATH_IMAGE108
代表风向，
Figure 896649DEST_PATH_IMAGE007
代表观察方向；
S16，对JONSWAP海浪功率谱和方向函数滤波后的随机白噪声进行傅里叶逆变换从而得到二维随机粗糙海面。生成二维随机粗糙海面的效果展示如图2所示。
构建目标物光源发射体具体为：
设定目标物光源的位置坐标
Figure 402717DEST_PATH_IMAGE006
，目标物光源选取激光光源或朗伯点光源，设 定沿坐标轴Z轴方向发射的光子权重为
Figure 150093DEST_PATH_IMAGE027
；当采用激光光源时，光子的天顶角
Figure 767019DEST_PATH_IMAGE007
的取值范围 为
Figure 788677DEST_PATH_IMAGE028
，光子的方位角
Figure 465646DEST_PATH_IMAGE008
的取值范围为
Figure 700318DEST_PATH_IMAGE029
，设定循环步进角度为0.001°，光子的 初始权重
Figure 855356DEST_PATH_IMAGE030
；当采用朗伯点光源时，光子的天顶角
Figure 30DEST_PATH_IMAGE007
的取值范围为
Figure 847900DEST_PATH_IMAGE031
，光子的方 位角
Figure 569868DEST_PATH_IMAGE008
的取值范围为
Figure 935122DEST_PATH_IMAGE029
，设定循环步进角度为1°，光子的初始权重
Figure 793356DEST_PATH_IMAGE032
。
构建简易光学透镜球面具体为：利用球面方程
Figure 812128DEST_PATH_IMAGE033
构建透镜上下 表面，其中
Figure 896758DEST_PATH_IMAGE013
为透镜上下表面的曲率半径，
Figure 659178DEST_PATH_IMAGE034
为透镜位于坐标系中的空间位置，并 设置透镜上下表面间距
Figure 637498DEST_PATH_IMAGE014
。
步骤2，根据目标物的点光源出射光子的初始状态发射光子，基于蒙特卡洛方法对 光子在气、水介质中传输时的运动位置
Figure 561592DEST_PATH_IMAGE015
、运动方向
Figure 133519DEST_PATH_IMAGE016
、运动步长s和权重
Figure 434050DEST_PATH_IMAGE009
的 状态特性进行追迹，模拟光子与介质中分子和粒子作用所发生的散射、吸收的光子事件，以 及模拟在粗糙的海-气界面处光子被波浪反射、折射的物理过程。蒙特卡洛光子传输仿真效 果如图3所示。
（1）计算目标物光源出射光子的方向信息：
由出射光子的天顶角
Figure 532456DEST_PATH_IMAGE007
和方位角
Figure 627451DEST_PATH_IMAGE008
，可得目标物光源出射光子的方向信息
Figure 686674DEST_PATH_IMAGE016
：
Figure 322055DEST_PATH_IMAGE109
计算光子运动步长：
根据比尔-朗伯定律：
Figure 884754DEST_PATH_IMAGE110
，其中
Figure 416230DEST_PATH_IMAGE111
为衰减系数，
Figure 556224DEST_PATH_IMAGE112
为光学深度。当光子经过 长度为
Figure 401820DEST_PATH_IMAGE113
的光学深度后，光子的能量衰减的概率为：
Figure 146922DEST_PATH_IMAGE114
根据蒙特卡罗方法原理，定义
Figure 911616DEST_PATH_IMAGE079
之间均匀分布的随机数
Figure 742169DEST_PATH_IMAGE013
，通过随机数计算出光 学深度
Figure 122947DEST_PATH_IMAGE113
：
Figure 722556DEST_PATH_IMAGE115
可得：
Figure 658151DEST_PATH_IMAGE116
根据几何深度与光学深度的转换关系：
Figure 975999DEST_PATH_IMAGE117
可得：
Figure 632240DEST_PATH_IMAGE118
得到光子步长
Figure 148672DEST_PATH_IMAGE119
即光子运动的几何距离：
Figure 130534DEST_PATH_IMAGE120
更新光子运动位置：
根据光子事件起始的状态信息
Figure 935679DEST_PATH_IMAGE121
，计算出本次光子事件发生后的末 位置
Figure 785824DEST_PATH_IMAGE017
：
Figure 360024DEST_PATH_IMAGE122
更新光子运动方向：
利用Henyey-greenstein散射相位函数：
Figure 512788DEST_PATH_IMAGE123
来确定光子运动方向的散射角
Figure 539650DEST_PATH_IMAGE007
和方位角
Figure 193485DEST_PATH_IMAGE008
，其中
Figure 294296DEST_PATH_IMAGE093
是不对称因子，
Figure 680278DEST_PATH_IMAGE007
是初始方向和 散射方向的夹角。
方位角
Figure 522332DEST_PATH_IMAGE008
满足0°到 360°均匀分布，其概率密度函数满足：
Figure 324066DEST_PATH_IMAGE124
根据蒙特卡罗方法原理，生成
Figure 607280DEST_PATH_IMAGE079
均匀分布的随机数
Figure 492060DEST_PATH_IMAGE013
来模拟光子的方位角
Figure 493514DEST_PATH_IMAGE008
，即
Figure 364518DEST_PATH_IMAGE125
。
散射角
Figure 502238DEST_PATH_IMAGE007
和方位角
Figure 557919DEST_PATH_IMAGE008
是相互独立满足如下关系：
Figure 46669DEST_PATH_IMAGE126
其中，
Figure 455785DEST_PATH_IMAGE127
表示散射角的概率密度函数，
Figure 510328DEST_PATH_IMAGE128
表示方位角的概率密度函数。由此可得：
Figure 940173DEST_PATH_IMAGE129
根据蒙特卡洛的方法原理，生成
Figure 650640DEST_PATH_IMAGE079
均匀分布的随机数
Figure 594937DEST_PATH_IMAGE130
， 满足：
Figure 35146DEST_PATH_IMAGE131
通过随机数
Figure 104733DEST_PATH_IMAGE130
计算出光子的散射角
Figure 505759DEST_PATH_IMAGE007
，基于几何关系进行坐标转换，得到该次光 子事件终了的光子方向信息
Figure 318994DEST_PATH_IMAGE018
，其具体表达式如下所示：
Figure 348130DEST_PATH_IMAGE132
更新光子权重：
利用光子的单次散射的反照率
Figure 526301DEST_PATH_IMAGE096
来降低光子事件发生点后权重
Figure 742519DEST_PATH_IMAGE133
。其中 光子在介质中单次散射的反照率
Figure 359445DEST_PATH_IMAGE096
：
Figure 243087DEST_PATH_IMAGE134
，其中
Figure 857740DEST_PATH_IMAGE135
为散射系数，
Figure 30095DEST_PATH_IMAGE111
为衰减系数。
并采用俄罗斯轮盘赌(Russian Roulette)方法作为光子传输的终止的判定。将光 子包的权重设置一个任意的下限概率
Figure 247450DEST_PATH_IMAGE136
，其中
Figure 454440DEST_PATH_IMAGE137
，当到达阈值后，生成
Figure 708835DEST_PATH_IMAGE079
之间均匀 分布的随机数
Figure 430803DEST_PATH_IMAGE013
，并将其与
Figure 389532DEST_PATH_IMAGE138
比较，进行权重更新:
Figure 388712DEST_PATH_IMAGE139
满足模拟的能量守恒。
（2）在粗糙的海-气边界处,对光子进行跨界质传输处理，模拟光子遇到海面波浪发生反射、折射的物理过程。光子分布效果展示如图4所示。
S21，判断光子是否遇到海-气边界；
通过相邻两次光子事件发生的位置坐标和该位置坐标处海浪的高度关系，判断光子是否和波浪平面相交；
S22，更新光子在海-气边界处发生反射、折射后的方向信息；
当光子遇水时，求出光子路径和波动海面的交点坐标
Figure 407484DEST_PATH_IMAGE035
，并通过该点处波高和 该点处临近两点的波高计算出该点处波面的法线方向
Figure 616748DEST_PATH_IMAGE036
；
由光子入射方向向量
Figure 113589DEST_PATH_IMAGE037
和波面法向量
Figure 295171DEST_PATH_IMAGE036
的关系：
Figure 422527DEST_PATH_IMAGE038
求出光子的入射角
Figure 56771DEST_PATH_IMAGE039
：
Figure 419619DEST_PATH_IMAGE040
其中
Figure 862233DEST_PATH_IMAGE041
，
Figure 222807DEST_PATH_IMAGE042
；
设光子入射面法向量为
Figure 141084DEST_PATH_IMAGE043
，则根据光子入射方向向量
Figure 648902DEST_PATH_IMAGE044
、海面法线方 向向量
Figure 601814DEST_PATH_IMAGE045
与入射面法向量
Figure 133290DEST_PATH_IMAGE046
的几何关系：
Figure 414229DEST_PATH_IMAGE047
由此可解得：
Figure 322143DEST_PATH_IMAGE043
其具体表达式如下所示：
Figure 129562DEST_PATH_IMAGE048
设光子的折射角为
Figure 97518DEST_PATH_IMAGE049
，折射方向向量为
Figure 928070DEST_PATH_IMAGE050
；当光从折射率为
Figure 46199DEST_PATH_IMAGE051
的 介质向折射率为
Figure 911387DEST_PATH_IMAGE052
的介质传输时，根据Snell折射定律
Figure 846982DEST_PATH_IMAGE053
可得折射角：
Figure 164831DEST_PATH_IMAGE054
式中
Figure 86650DEST_PATH_IMAGE039
为入射角，
Figure 806345DEST_PATH_IMAGE049
为折射角；
由折射方向向量
Figure 116103DEST_PATH_IMAGE055
与入射面法向量
Figure 717986DEST_PATH_IMAGE046
、海面法向量
Figure 443496DEST_PATH_IMAGE045
三者的几何关系：
Figure 17697DEST_PATH_IMAGE056
，
Figure 295095DEST_PATH_IMAGE057
，
Figure 321957DEST_PATH_IMAGE058
由此可解得：
Figure 851158DEST_PATH_IMAGE059
其具体表达式如下所示：
Figure 545445DEST_PATH_IMAGE060
其中A、B、C的表示为：
Figure 728164DEST_PATH_IMAGE061
其中参数p、q的表示为：
Figure 507901DEST_PATH_IMAGE062
Figure 575215DEST_PATH_IMAGE063
式中参数A、B、C、p、q仅指代所表示的多项式，无物理含义；
根据Snell折射定律公式：
Figure 858428DEST_PATH_IMAGE064
由上述公式可知，当光子从大气入射到水中时，海水中的折射角小于大气中入射 角；当光子从海水中入射到大气时，海水中的入射角大于大气中的折射角，由此在所求的折 射方向向量
Figure 743208DEST_PATH_IMAGE055
的两个解中进行取舍；折射定律公式中
Figure 744662DEST_PATH_IMAGE065
，为海水的折射率，
Figure 84507DEST_PATH_IMAGE066
为大气的折射率，
Figure 284545DEST_PATH_IMAGE067
和
Figure 543488DEST_PATH_IMAGE068
为大气、海水介质中的入射角、折射角；
设光子的反射角为
Figure 435833DEST_PATH_IMAGE069
，反射方向向量为
Figure 235162DEST_PATH_IMAGE070
，由反射方向向 量
Figure 492968DEST_PATH_IMAGE071
与入射方向向量
Figure 329337DEST_PATH_IMAGE044
、海面法线方向向量
Figure 305383DEST_PATH_IMAGE045
三者的几何关系：
Figure 642823DEST_PATH_IMAGE072
，
Figure 755136DEST_PATH_IMAGE073
，
Figure 27985DEST_PATH_IMAGE074
由此可解得：
Figure 225748DEST_PATH_IMAGE070
其具体表达式如下所示：
Figure 773404DEST_PATH_IMAGE075
其中参数A、B、C的表示为：
Figure 5803DEST_PATH_IMAGE076
；
式中参数A、B、C仅指代所表示的多项式，无物理含义；
S23，更新跨界质传输的光子权重；
Figure 308608DEST_PATH_IMAGE077
利用上述海-气界面的菲涅尔反射率公式进行边界处理，式中
Figure 259246DEST_PATH_IMAGE039
为入射角，
Figure 813856DEST_PATH_IMAGE049
为折 射角；因为菲涅尔反射率
Figure 900760DEST_PATH_IMAGE078
的取值范围为
Figure 577729DEST_PATH_IMAGE079
，根据蒙特卡洛方法，生成
Figure 812402DEST_PATH_IMAGE079
之间均匀分 布的随机数
Figure 905123DEST_PATH_IMAGE013
，将
Figure 846534DEST_PATH_IMAGE013
与
Figure 756721DEST_PATH_IMAGE078
进行比较，若
Figure 416372DEST_PATH_IMAGE080
则判定为光子被反射不进行跨界质传输， 若
Figure 312784DEST_PATH_IMAGE081
则判定为光子被折射，可以进行跨界质传输；
若光子进行跨界质传输，则对光子的权重进行处理，设光子进行跨界质传输前的 权重为
Figure 171019DEST_PATH_IMAGE009
， 则光子在发生折射后的权重为：
Figure 189790DEST_PATH_IMAGE082
，其中
Figure 8842DEST_PATH_IMAGE078
为海-气介质交 界面的菲涅尔反射率。
步骤3，计算光子与透镜面曲面的交点坐标
Figure 771261DEST_PATH_IMAGE017
，对光子经过光学系统透 镜曲面的过程进行光线追迹，更新光子经透镜折射后的方向信息
Figure 749582DEST_PATH_IMAGE018
，并在透镜 后设置探测平面，统计接收从透镜出射的光子与探测平面相交时的位置信息及权重能量信 息，获取目标物水下对空成像的仿真结果。具体过程为：
S31，通过相邻两次光子事件发生的位置坐标和透镜上表面位置坐标的高度关系， 判断光子是否和透镜上表面曲面相交；若光子与透镜上表面平面相交，求出光子与透镜上 表面的交点坐标
Figure 939255DEST_PATH_IMAGE083
，并更新光子入射透镜后的方向信息
Figure 508252DEST_PATH_IMAGE084
；
S32，通过相邻两次光子事件发生的位置坐标和透镜下表面位置坐标的高度关系， 判断光子是否和透镜下表面曲面相交；若光子与透镜下表面平面相交，求出光子与透镜下 表面的交点坐标
Figure 808783DEST_PATH_IMAGE085
，并更新光子从透镜出射的方向信息
Figure 641610DEST_PATH_IMAGE086
；
S33，在透镜后设置探测平面，用于统计接收从透镜出射的光子的位置信息
Figure 2184DEST_PATH_IMAGE035
, 及光子的权重能量信息
Figure 530248DEST_PATH_IMAGE009
；
S34，基于探测面接收的光子的坐标信息
Figure 696788DEST_PATH_IMAGE035
,及光子的权重能量信息
Figure 993908DEST_PATH_IMAGE009
，生成目 标物经气、水介质，跨海-气边界传输的成像仿真结果。如图5所示，图中展示模拟空中目标 物共发射756000个光子的跨界质成像仿真结果，可见目标物刃边模型的大致轮廓信息，说 明对光子传输并成像的全过程进行仿真模拟以获取成像结果的可行性，可以为水下对空成 像系统的设计优化提供可视化参考依据。
步骤S31和S32的具体过程为：
已知的光子的位置信息
Figure 587700DEST_PATH_IMAGE087
及状态信息
Figure 930957DEST_PATH_IMAGE088
，则光子传输路径的直线 方程形式表达为：
Figure 510974DEST_PATH_IMAGE089
将其与透镜上下表面所在球面的方程
Figure 52814DEST_PATH_IMAGE033
联立，其中
Figure 755190DEST_PATH_IMAGE013
为透镜上 下表面的曲率半径，
Figure 523426DEST_PATH_IMAGE034
为透镜位于坐标系中的空间位置，求解出光子传输路径与 透镜面曲面的交点坐标
Figure 969451DEST_PATH_IMAGE017
；
根据交点坐标
Figure 896956DEST_PATH_IMAGE017
和该点处临近两点的透镜曲面坐标确定交点处透镜曲 面法线方向向量
Figure 770234DEST_PATH_IMAGE036
；
由光子入射方向向量
Figure 760187DEST_PATH_IMAGE037
和透镜曲面法向量
Figure 275482DEST_PATH_IMAGE036
的几何关系：
Figure 791914DEST_PATH_IMAGE038
其中
Figure 836093DEST_PATH_IMAGE041
，
Figure 641238DEST_PATH_IMAGE042
，求出光子的入射角
Figure 366749DEST_PATH_IMAGE039
：
Figure 940949DEST_PATH_IMAGE040
设光子入射面法向量为
Figure 218347DEST_PATH_IMAGE043
，则根据光子入射方向向量
Figure 510788DEST_PATH_IMAGE044
、透镜上表面 法线方向向量
Figure 774410DEST_PATH_IMAGE045
与入射面法向量
Figure 468697DEST_PATH_IMAGE046
三者的几何关系：
Figure 120258DEST_PATH_IMAGE047
由此可解得：
Figure 696733DEST_PATH_IMAGE140
其具体表达式如下所示：
Figure 826363DEST_PATH_IMAGE048
设光子被透镜折射的折射角为
Figure 333347DEST_PATH_IMAGE049
，折射方向向量为
Figure 890230DEST_PATH_IMAGE050
；当光从折 射率为
Figure 954001DEST_PATH_IMAGE051
的介质向折射率为
Figure 887322DEST_PATH_IMAGE052
的介质传输时，根据Snell折射定律：
Figure 962725DEST_PATH_IMAGE053
式中
Figure 487248DEST_PATH_IMAGE039
为入射角，
Figure 913681DEST_PATH_IMAGE049
为折射角，可得折射角：
Figure 650693DEST_PATH_IMAGE054
由折射方向向量与入射面法向量、透镜曲面法向量
Figure 970816DEST_PATH_IMAGE045
三者的几何关系：
Figure 869501DEST_PATH_IMAGE056
，
Figure 783231DEST_PATH_IMAGE057
，
Figure 855092DEST_PATH_IMAGE058
由此可解得：
Figure 967405DEST_PATH_IMAGE050
其具体表达式如下所示：
Figure 240254DEST_PATH_IMAGE090
其中A、B、C的表示为：
Figure 438017DEST_PATH_IMAGE091
其中参数p、q的表示为：
Figure 579149DEST_PATH_IMAGE062
Figure 545968DEST_PATH_IMAGE063
式中参数A、B、C、p、q仅指代所表示的多项式，无物理含义。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种基于蒙特卡洛的目标物跨界质成像仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，设定三维直角坐标系，所述坐标系
Figure 740582DEST_PATH_IMAGE001
轴垂直于水面向下，
Figure 844673DEST_PATH_IMAGE002
平面与平静海面重 合，平静海面从原点
Figure 562093DEST_PATH_IMAGE003
开始向下测量为正，
Figure 409832DEST_PATH_IMAGE004
轴满足右手螺旋法则，设定海面高度10m 处的风速
Figure 879997DEST_PATH_IMAGE005
，生成二维随机粗糙海面；设定大气和水体的固有光学特性；设定目标物的点 光源所发射光子的初始状态，构建目标物光源发射体，包括目标物光源的位置坐标为
Figure 640142DEST_PATH_IMAGE006
，出射光子的天顶角
Figure 297389DEST_PATH_IMAGE007
、方位角
Figure 699551DEST_PATH_IMAGE008
以及光子的初始权重
Figure 764502DEST_PATH_IMAGE009
；其中天顶角
Figure 492287DEST_PATH_IMAGE007
为光子与
Figure 636829DEST_PATH_IMAGE001
轴方向的夹角，方位角
Figure 108262DEST_PATH_IMAGE008
为光子的发射方向在
Figure 818598DEST_PATH_IMAGE002
平面内的投影与
Figure 186125DEST_PATH_IMAGE010
轴正向的夹角；构建简易 光学透镜球面，设定透镜的位置坐标
Figure 817964DEST_PATH_IMAGE011
折射率
Figure 280038DEST_PATH_IMAGE012
、曲率半径
Figure 861192DEST_PATH_IMAGE013
、厚度
Figure 930779DEST_PATH_IMAGE014
和通 光直径D；
步骤2，根据目标物的点光源出射光子的初始状态发射光子，基于蒙特卡洛方法对光子 在气、水介质中传输时的运动位置
Figure 846651DEST_PATH_IMAGE015
、运动方向
Figure 863149DEST_PATH_IMAGE016
、运动步长s和权重
Figure 548077DEST_PATH_IMAGE009
的状态 特性进行追迹，模拟光子与介质中分子和粒子作用所发生的散射、吸收的光子事件，以及模 拟在粗糙的海-气界面处光子被波浪反射、折射的物理过程；
步骤3，计算光子与透镜面曲面的交点坐标
Figure 991828DEST_PATH_IMAGE017
，对光子经过光学系统透镜曲面 的过程进行光线追迹，更新光子经透镜折射后的方向信息
Figure 129417DEST_PATH_IMAGE018
，并在透镜后设置 探测平面，统计接收从透镜出射的光子与探测平面相交时的位置信息及权重能量信息，获 取目标物水下对空成像的仿真结果。
2.如权利要求1所述的一种基于蒙特卡洛的目标物跨界质成像仿真方法，其特征在于： 所述步骤1中设定大气和水体的固有光学特性包括大气的吸收系数
Figure 949605DEST_PATH_IMAGE019
、海水的吸收系数
Figure 748760DEST_PATH_IMAGE020
、大气的散射系数
Figure 628991DEST_PATH_IMAGE021
、海水的散射系数
Figure 253877DEST_PATH_IMAGE022
、海水的折射率
Figure 64707DEST_PATH_IMAGE023
、大气的折射率
Figure 474959DEST_PATH_IMAGE024
、 大气的不对称因子
Figure 40939DEST_PATH_IMAGE025
和海水的不对称因子
Figure 107115DEST_PATH_IMAGE026
。
3.如权利要求1所述的一种基于蒙特卡洛的目标物跨界质成像仿真方法，其特征在于，所述生成二维随机粗糙海面具体为：
S11，生成X方向的长度为Lx，Y方向的长度为Ly的二维海面；
S12，设定X、Y方向上等间隔离散采样点数分别为M和N；
S13，生成[-1,1]区间内均匀分布的M*N二维随机白噪声；
S14，对随机白噪声进行傅里叶变换处理；
S15，在波数域运用JONSWAP海浪功率谱和方向函数对随机白噪声进行滤波；
S16，对JONSWAP海浪功率谱和方向函数滤波后的随机白噪声进行傅里叶逆变换从而得到二维随机粗糙海面。
4.如权利要求1所述的一种基于蒙特卡洛的目标物跨界质成像仿真方法，其特征在于，所述构建目标物光源发射体具体为：
设定目标物光源的位置坐标
Figure 783953DEST_PATH_IMAGE006
，目标物光源选取激光光源或朗伯点光源，设定沿 坐标轴Z轴方向发射的光子权重为
Figure 235663DEST_PATH_IMAGE027
；当采用激光光源时，光子的天顶角
Figure 457697DEST_PATH_IMAGE007
的取值范围为
Figure 322753DEST_PATH_IMAGE028
，光子的方位角
Figure 491698DEST_PATH_IMAGE008
的取值范围为
Figure 125810DEST_PATH_IMAGE029
，设定循环步进角度为0.001°，光子的初 始权重
Figure 253166DEST_PATH_IMAGE030
；当采用朗伯点光源时，光子的天顶角
Figure 549061DEST_PATH_IMAGE007
的取值范围为
Figure 302123DEST_PATH_IMAGE031
，光子的方位 角
Figure 338212DEST_PATH_IMAGE008
的取值范围为
Figure 636469DEST_PATH_IMAGE029
，设定循环步进角度为1°，光子的初始权重
Figure 210539DEST_PATH_IMAGE032
。
5.如权利要求1所述的一种基于蒙特卡洛的目标物跨界质成像仿真方法，其特征在于， 所述构建简易光学透镜球面具体为：利用球面方程
Figure 518023DEST_PATH_IMAGE033
构建透镜上下表 面，其中
Figure 595570DEST_PATH_IMAGE013
为透镜上下表面的曲率半径，
Figure 330307DEST_PATH_IMAGE034
为透镜位于坐标系中的空间位置，并设 置透镜上下表面间距
Figure 860515DEST_PATH_IMAGE014
。
6.如权利要求1所述的一种基于蒙特卡洛的目标物跨界质成像仿真方法，其特征在于，所述步骤2中模拟在粗糙的海-气界面处光子被波浪反射、折射的物理过程具体为：
S21，判断光子是否遇到海-气边界；
通过相邻两次光子事件发生的位置坐标和该位置坐标处海浪的高度关系，判断光子是否和波浪平面相交；
S22，更新光子在海-气边界处发生反射、折射后的方向信息；
当光子遇水时，求出光子路径和波动海面的交点坐标
Figure 971690DEST_PATH_IMAGE035
，并通过该点处波高和该点 处临近两点的波高计算出该点处波面的法线方向
Figure 169322DEST_PATH_IMAGE036
；
由光子入射方向向量
Figure 74961DEST_PATH_IMAGE037
和波面法向量
Figure 358044DEST_PATH_IMAGE036
的关系：
Figure 7331DEST_PATH_IMAGE038
求出光子的入射角
Figure 59470DEST_PATH_IMAGE039
：
Figure 136010DEST_PATH_IMAGE040
其中
Figure 923967DEST_PATH_IMAGE041
，
Figure 908103DEST_PATH_IMAGE042
；
设光子入射面法向量为
Figure 752432DEST_PATH_IMAGE043
，则根据光子入射方向向量
Figure 514720DEST_PATH_IMAGE044
、海面法线方向向 量
Figure 523127DEST_PATH_IMAGE045
与入射面法向量
Figure 763485DEST_PATH_IMAGE046
的几何关系：
Figure 540948DEST_PATH_IMAGE047
由此可解得：
Figure 208558DEST_PATH_IMAGE043
其具体表达式为：
Figure 438683DEST_PATH_IMAGE048
设光子的折射角为
Figure 482731DEST_PATH_IMAGE049
，折射方向向量为
Figure 849121DEST_PATH_IMAGE050
；当光从折射率为
Figure 156475DEST_PATH_IMAGE051
的介质 向折射率为
Figure 139474DEST_PATH_IMAGE052
的介质传输时，根据Snell折射定律
Figure 987213DEST_PATH_IMAGE053
可得折射角：
Figure 473689DEST_PATH_IMAGE054
式中
Figure 754541DEST_PATH_IMAGE039
为入射角，
Figure 959258DEST_PATH_IMAGE049
为折射角；
由折射方向向量
Figure 548371DEST_PATH_IMAGE055
与入射面法向量
Figure 686091DEST_PATH_IMAGE046
、海面法向量
Figure 131985DEST_PATH_IMAGE045
三者的几何关系：
Figure 276527DEST_PATH_IMAGE056
，
Figure 747960DEST_PATH_IMAGE057
，
Figure 209028DEST_PATH_IMAGE058
由此可解得：
Figure 825823DEST_PATH_IMAGE059
具体表达式如下所示：
Figure 739553DEST_PATH_IMAGE060
其中A、B、C的表示为：
Figure 670468DEST_PATH_IMAGE061
其中参数p、q的表示为：
Figure 500890DEST_PATH_IMAGE062
Figure 570477DEST_PATH_IMAGE063
式中参数A、B、C、p、q仅指代所表示的多项式，无物理含义；
根据Snell折射定律公式：
Figure 689612DEST_PATH_IMAGE064
由上述公式可知，当光子从大气入射到水中时，海水中的折射角小于大气中入射角；当 光子从海水中入射到大气时，海水中的入射角大于大气中的折射角，由此在所求的折射方 向向量
Figure 706109DEST_PATH_IMAGE055
的两个解中进行取舍；折射定律公式中
Figure 938507DEST_PATH_IMAGE065
，为海水的折射率，
Figure 828929DEST_PATH_IMAGE066
为大 气的折射率，
Figure 779567DEST_PATH_IMAGE067
和
Figure 849023DEST_PATH_IMAGE068
为大气、海水介质中的入射角、折射角；
设光子的反射角为
Figure 139190DEST_PATH_IMAGE069
，反射方向向量为
Figure 268689DEST_PATH_IMAGE070
，由反射方向向量
Figure 644307DEST_PATH_IMAGE071
与 入射方向向量
Figure 251875DEST_PATH_IMAGE044
、海面法线方向向量
Figure 114657DEST_PATH_IMAGE045
三者的几何关系：
Figure 900211DEST_PATH_IMAGE072
，
Figure 12392DEST_PATH_IMAGE073
，
Figure 174383DEST_PATH_IMAGE074
由此可解得：
Figure 953989DEST_PATH_IMAGE070
具体表达式如下所示：
Figure 176023DEST_PATH_IMAGE075
其中参数A、B、C的表示为：
Figure 978763DEST_PATH_IMAGE076
；
式中参数A、B、C仅指代所表示的多项式，无物理含义；
S23，更新跨界质传输的光子权重；
Figure 678866DEST_PATH_IMAGE077
利用上述海-气界面的菲涅尔反射率公式进行边界处理，式中
Figure 318838DEST_PATH_IMAGE039
为入射角，
Figure 164303DEST_PATH_IMAGE049
为折射 角；因为菲涅尔反射率
Figure 470650DEST_PATH_IMAGE078
的取值范围为
Figure 223711DEST_PATH_IMAGE079
，根据蒙特卡洛方法，生成
Figure 994221DEST_PATH_IMAGE079
之间均匀分布 的随机数
Figure 807325DEST_PATH_IMAGE013
，将
Figure 132128DEST_PATH_IMAGE013
与
Figure 423301DEST_PATH_IMAGE078
进行比较，若
Figure 517158DEST_PATH_IMAGE080
则判定为光子被反射不进行跨界质传输，若
Figure 501164DEST_PATH_IMAGE081
则判定为光子被折射，可以进行跨界质传输；
若光子进行跨界质传输，则对光子的权重进行处理，设光子进行跨界质传输前的权重 为
Figure 782104DEST_PATH_IMAGE009
， 则光子在发生折射后的权重为：
Figure 408126DEST_PATH_IMAGE082
，其中
Figure 90911DEST_PATH_IMAGE078
为海-气介质交界面 的菲涅尔反射率。
7.如权利要求1所述的一种基于蒙特卡洛的目标物跨界质成像仿真方法，其特征在于，所述步骤3的具体过程为：
S31，通过相邻两次光子事件发生的位置坐标和透镜上表面位置坐标的高度关系，判断 光子是否和透镜上表面曲面相交；若光子与透镜上表面平面相交，求出光子与透镜上表面 的交点坐标
Figure 245818DEST_PATH_IMAGE083
，并更新光子入射透镜后的方向信息
Figure 156266DEST_PATH_IMAGE084
；
S32，通过相邻两次光子事件发生的位置坐标和透镜下表面位置坐标的高度关系，判断 光子是否和透镜下表面曲面相交；若光子与透镜下表面平面相交，求出光子与透镜下表面 的交点坐标
Figure 789241DEST_PATH_IMAGE085
，并更新光子从透镜出射的方向信息
Figure 310221DEST_PATH_IMAGE086
；
S33，在透镜后设置探测平面，用于统计接收从透镜出射的光子的位置信息
Figure 183499DEST_PATH_IMAGE035
,及光 子的权重能量信息
Figure 704610DEST_PATH_IMAGE009
；
S34，基于探测面接收的光子的坐标信息
Figure 141277DEST_PATH_IMAGE035
,及光子的权重能量信息
Figure 798654DEST_PATH_IMAGE009
，生成目标物 经气、水介质，跨海-气边界传输的成像仿真结果。
8.如权利要求7所述的一种基于蒙特卡洛的目标物跨界质成像仿真方法，其特征在于，所述S31和S32的具体过程为：
已知的光子的位置信息
Figure 295364DEST_PATH_IMAGE087
及状态信息
Figure 569350DEST_PATH_IMAGE088
，则光子传输路径的直线方程形 式表达为：
Figure 809707DEST_PATH_IMAGE089
将其与透镜上下表面所在球面的方程
Figure 587171DEST_PATH_IMAGE033
联立，其中
Figure 926885DEST_PATH_IMAGE013
为透镜上下表 面的曲率半径，
Figure 671856DEST_PATH_IMAGE034
为透镜位于坐标系中的空间位置，求解出光子传输路径与透镜 面曲面的交点坐标
Figure 925026DEST_PATH_IMAGE017
；
根据交点坐标
Figure 556996DEST_PATH_IMAGE017
和该点处临近两点的透镜曲面坐标确定交点处透镜曲面法 线方向向量
Figure 661087DEST_PATH_IMAGE036
；
由光子入射方向向量
Figure 644086DEST_PATH_IMAGE037
和透镜曲面法向量
Figure 960667DEST_PATH_IMAGE036
的几何关系：
Figure 447143DEST_PATH_IMAGE038
其中
Figure 722135DEST_PATH_IMAGE041
，
Figure 926852DEST_PATH_IMAGE042
，求出光子的入射角
Figure 312703DEST_PATH_IMAGE039
：
Figure 122527DEST_PATH_IMAGE040
设光子入射面法向量为
Figure 568421DEST_PATH_IMAGE043
，则根据光子入射方向向量
Figure 994854DEST_PATH_IMAGE044
、透镜上表面法线 方向向量
Figure 184396DEST_PATH_IMAGE045
与入射面法向量
Figure 911043DEST_PATH_IMAGE046
三者的几何关系：
Figure 262259DEST_PATH_IMAGE047
由此可解得：
Figure 294763DEST_PATH_IMAGE043
其具体表达式为：
Figure 287995DEST_PATH_IMAGE048
设光子被透镜折射的折射角为
Figure 56100DEST_PATH_IMAGE049
，折射方向向量为
Figure 594529DEST_PATH_IMAGE050
；当光从折射率 为
Figure 244822DEST_PATH_IMAGE051
的介质向折射率为
Figure 526899DEST_PATH_IMAGE052
的介质传输时，根据Snell折射定律：
Figure 680668DEST_PATH_IMAGE053
式中
Figure 842528DEST_PATH_IMAGE039
为入射角，
Figure 730850DEST_PATH_IMAGE049
为折射角，可得折射角：
Figure 3568DEST_PATH_IMAGE054
由折射方向向量与入射面法向量、透镜曲面法向量
Figure 543003DEST_PATH_IMAGE045
三者的几何关系：
Figure 423234DEST_PATH_IMAGE056
，
Figure 53979DEST_PATH_IMAGE057
，
Figure 677858DEST_PATH_IMAGE058
由此可解得：
Figure 71799DEST_PATH_IMAGE050
具体表达式为：
Figure 122932DEST_PATH_IMAGE090
其中A、B、C的表示为：
Figure 235113DEST_PATH_IMAGE091
其中参数p、q的表示为：
Figure 131525DEST_PATH_IMAGE062
Figure 645552DEST_PATH_IMAGE063
式中参数A、B、C、p、q仅指代所表示的多项式，无物理含义。
CN202211560313.3A 2022-12-07 2022-12-07 一种基于蒙特卡洛的目标物跨界质成像仿真方法 Active CN115630529B (zh)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211560313.3A CN115630529B (zh) 2022-12-07 2022-12-07 一种基于蒙特卡洛的目标物跨界质成像仿真方法
ZA2023/10738A ZA202310738B (en) 2022-12-07 2023-11-21 Target object cross-media imaging simulation method based on monte carlo

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211560313.3A CN115630529B (zh) 2022-12-07 2022-12-07 一种基于蒙特卡洛的目标物跨界质成像仿真方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN115630529A true CN115630529A (zh) 2023-01-20
CN115630529B CN115630529B (zh) 2023-03-10

Family

ID=84910880

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202211560313.3A Active CN115630529B (zh) 2022-12-07 2022-12-07 一种基于蒙特卡洛的目标物跨界质成像仿真方法

Country Status (2)

Country Link
CN (1) CN115630529B (zh)
ZA (1) ZA202310738B (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117152401A (zh) * 2023-09-05 2023-12-01 南通海沐海洋工程装备有限公司 一种机器学习任务用水下视觉图像数据集的获取方法
CN117272687A (zh) * 2023-11-20 2023-12-22 中国海洋大学 一种水下光学成像蒙特卡洛矢量化异构并行优化方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108398782A (zh) * 2018-03-29 2018-08-14 上海大学 水下激光主动成像系统的蒙特卡洛模拟及优化设计方法
US20190266712A1 (en) * 2018-02-24 2019-08-29 United States Of America As Represented By The Administrator Of The Nasa System and method for imaging underwater environments using fluid lensing
CN114531522A (zh) * 2020-10-30 2022-05-24 福特全球技术公司 减轻车辆成像系统中的发光二极管成像伪影的系统和方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20190266712A1 (en) * 2018-02-24 2019-08-29 United States Of America As Represented By The Administrator Of The Nasa System and method for imaging underwater environments using fluid lensing
CN108398782A (zh) * 2018-03-29 2018-08-14 上海大学 水下激光主动成像系统的蒙特卡洛模拟及优化设计方法
CN114531522A (zh) * 2020-10-30 2022-05-24 福特全球技术公司 减轻车辆成像系统中的发光二极管成像伪影的系统和方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
姜璐;朱海;于运治;: "基于蒙特卡罗方法的水下目标光学隐蔽性影响因素分析" *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117152401A (zh) * 2023-09-05 2023-12-01 南通海沐海洋工程装备有限公司 一种机器学习任务用水下视觉图像数据集的获取方法
CN117152401B (zh) * 2023-09-05 2024-03-15 南通海沐海洋工程装备有限公司 一种机器学习任务用水下视觉图像数据集的获取方法
CN117272687A (zh) * 2023-11-20 2023-12-22 中国海洋大学 一种水下光学成像蒙特卡洛矢量化异构并行优化方法
CN117272687B (zh) * 2023-11-20 2024-01-26 中国海洋大学 一种水下光学成像蒙特卡洛矢量化异构并行优化方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN115630529B (zh) 2023-03-10
ZA202310738B (en) 2023-12-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN115630529B (zh) 一种基于蒙特卡洛的目标物跨界质成像仿真方法
Jensen et al. Efficient simulation of light transport in scenes with participating media using photon maps
Sadeghi et al. Physically-based simulation of rainbows
Bi et al. Modeling optical properties of mineral aerosol particles by using nonsymmetric hexahedra
CN111583371B (zh) 基于神经网络的参与性介质多重散射绘制方法及系统
Hetem Jr et al. Fractal 3-D simulations of molecular clouds
Mo et al. Tracing analytic ray curves for light and sound propagation in non-linear media
Zhou et al. Fogshop: Real-time design and rendering of inhomogeneous, single-scattering media
Holzschuch Accurate computation of single scattering in participating media with refractive boundaries
Alfrink et al. Improving ray tracing based radio propagation model performance using spatial acceleration structures
CN110376572A (zh) 一种机载激光雷达水下探测深度模拟方法和装置
CN116125401A (zh) 基于电磁散射计算的动态海面回波仿真方法
Arredondo et al. A methodology for the systematic assessment of underwater video processing algorithms
Sikora et al. Beam tracing with refraction
CN118036408B (zh) 一种水下光学成像蒙特卡洛仿真的最优计算成本评估方法
CN117274473B (zh) 一种多重散射实时渲染的方法、装置及电子设备
Wang et al. Comparison of two agglomerated particle simulation models for extinction performance calculation of bioaerosol
CN118036408A (zh) 一种水下光学成像蒙特卡洛仿真的最优计算成本评估方法
CN115081303B (zh) 激光雷达虚拟建模和仿真方法、电子设备和存储介质
Kajs Real-Time Rendering of Granular Materials
Chen et al. An efficient method for real-time ocean simulation
Charalampous Wave-Based Geometrical Acoustics for Accurate and Efficient Sound Rendering
WO2024044592A1 (en) Specular reflection path generation and near-reflective diffraction in interactive acoustical simulations
CN117113789A (zh) 基于jonswap谱海面建模的激光束散射计算方法
Song et al. Research on binocular clear image hazing algorithm based on depth map

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant