一种光在水下湍流中近距离传播的相位屏仿真方法技术

本发明专利技术涉及一种光在水下湍流中近距离传播的相位屏仿真方法，属于水下目标探测领域，为了解决现有技术的多层相位屏没有考虑到相位屏之间的相关性，从而导致相位屏模型不能真实模拟湍流特性的缺点，而提出一种光在水下湍流中近距离传播的相位屏仿真方法，包括：输入初始图像；使用已知值的基准点计算当前基准点的像素值；计算相对像素差值；计算基准点的绝对值；重复上述过程直至所有相位屏的左右基准点计算完毕；生成若干个进程，每个进程含有1个框架；使用并行计算的方法同时计算框架内每个点的绝对值；对每个进程的重复计算点求平均最终每个点的绝对值；重复上述步骤直至所有点计算完毕。本发明专利技术适用于光在水下湍流中的传播模型的仿真模拟。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种光在水下湍流中近距离传播的相位屏仿真方法，属于水下目标探测领域。
技术介绍
水下目标物的探测是海洋探测的重要分支之一。对于运动的水下目标，其在运动过程中必然会产生湍流。将目标物的直接探测转化为其产生的湍流场的间接探测，是一种重要的探测手段。因此，对水下湍流场的特性研究是开展水下探测等研究的主要问题。在利用激光进行水下湍流的特征研究时，对于光传播而言，湍流对其主要的影响就是由于水介质的折射率波动导致的光波的相位随机起伏。因此，建立光在湍流中的传播模型是进行水下湍流研究，开展水下目标探测的前提和基础。建立水下湍流多层相位屏的算法模型是开展水下湍流研究的主要问题。进行水下湍流特性的研究可以为水下湍流探测、水下光通信等研究打下基础。传统的相位屏生成方法有Zernike多项式法，分形相位屏法，几何近似法，协方差矩阵预测相位屏法。这些方法都能较好地模拟湍流的特性，但是不适用于近距离的光传播模拟。光的近距离传播模型需要考虑湍流的连续性带来的多层相位屏之间的相关性，而传统模型中认为多层相位屏之间是相互独立的。因此现有技术中，虽然水下湍流的光传播算法模型有很多，并且都较为成熟，但是在考虑近距离传播的实际情况时，需要对这些方法提出适当的修正来符合真实情况。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有技术的多层相位屏没有考虑到相位屏之间的相关性，从而导致相位屏模型不能真实模拟湍流特性的缺点，而提出一种光在水下湍流中近距离传播的相位屏仿真方法。一种光在水下湍流中近距离传播的相位屏仿真方法，包括如下步骤：步骤1)输入初始图像，初始图像用于生成相互间具有相关性的相位屏；初始图像中像素点的像素值用于表征相位值；初始图像中各个像素点的像素值和相对差值均被标记为已知值；初始图像和相位屏中的特定数量和位置的像素点被选定为基准点，并且每一行和每一列均具有相同数量的基准点；步骤2)使用所有被标记为已知值的基准点，计算第a个待生成相位屏中第b个基准点的像素值，并将其像素值标记为已知值；a为从1到N的正整数，b为从1到M的正整数，N为待生成的相位屏个数，M为每个相位屏中基准点的个数；步骤3)使用所有被标记为已知值的基准点的位置信息输入至三维协方差矩阵预测模型，得到第a个相位屏的第b个基准点的概率分布值，将概率分布值乘以与位置相关的随机波动值，得到相对像素差值。并将其绝对像素差值标记为已知值；步骤4)将像素值与相对像素差值相加，得到第a个待生成相位屏的第b个基准点的绝对值；步骤5)将b值加1；步骤6)重复步骤2)至步骤5)，直到第a个待生成相位屏的M个基准点都计算完毕；步骤7)将a值加1；步骤8)重复步骤2至7，直到所有的N个相位屏中的所有的基准点都计算完毕；步骤9)对于第1个待生成相位屏，生成(K-P+1)×(K-P+1)个进程，每个进程含有1个框架，每个框架含有第1个待生成相位屏中的P×P个像素；每个进程用于计算其含有的框架中所有像素点的绝对值，各个进程中的框架互不相同，相互之间的关系为：第1个进程的框架左上角的点为当前相位屏第1行第1列的点，第2个进程的框架左上角的点为当前相位屏第1行第2列的点……第(K-P+1)×(K-P+1)个进程的框架左上角的点为当前相位屏的第K行第K列的点。其中K为相位屏一条边的基准点的个数。每个框架中包括Q个基准点；步骤10)使用并行计算的方法同时计算框架内每个点的绝对值，具体为：使用框架内的被标记为已知值的基准点计算任意一个未被标记为已知值的点的绝对值，直至框架内的所有点都计算完成；步骤11)所有进程计算完成后，将每个进程对相同的点计算得到绝对值求平均，得到最终每个点的绝对值；步骤12)对于下一个相位屏，重复步骤9)至步骤11)，直至所有的N个相位屏中的所有点都计算完毕，并输出所述的N个相位屏。本专利技术的有益效果为：在构建相位屏模型时，使用所有已知点的信息来构建新的相位屏，使得形成的相位屏之间具有相关性；在湍流折射率结构函数的模拟结果上较理论曲线有较好的符合度；相较于其他成熟的算法，本专利技术可以使得湍流在光的传播方向上具有一定的相关性。附图说明图1为本专利技术的光在水下湍流中近距离传播的相位屏仿真方法的流程图；图2为本专利技术的光在水下湍流中近距离传播的相位屏仿真方法的一个实施例的流程图；图3为本专利技术的光在水下湍流中近距离传播的相位屏仿真方法的一个实施例的示意图；图4为随机入射光单元的示意图；图5为光通过湍流时的相位畸变情况示意图；图6为使用本专利技术的方法得到的相位屏的湍流折射率结构函数的模拟结果与理论曲线的对比图；图中星形离散点为仿真结果得到的点；图中的连续曲线为理论值对应的曲线；图7为用本专利技术的方法得到的不同间隔的相位屏之间的相关系数示意图；图中横坐标为两个相位屏的间距；图中纵坐标为相关系数。具体实施方式具体实施方式一：本实施方式的光在水下湍流中近距离传播的相位屏仿真方法，如图1所示，包括如下步骤：步骤1)输入初始图像，初始图像用于生成相互间具有相关性的相位屏；初始图像中像素点的像素值用于表征相位值；初始图像中各个像素点的像素值和相对差值均被标记为已知值；初始图像和相位屏中的特定数量和位置的像素点被选定为基准点，并且每一行和每一列均具有相同数量的基准点。初始图像即为图3(a)，每个方格为一个像素点，初始图像也属于相位屏，图中每个三个点被标出的就是基准点，图3(a)中有9×9＝81个基准点。这些像素点的像素值和相对差值均被标记为已知值。相对差值是与像素点的位置相关的量，只要知道这个像素点是第几个相位屏中第几行第几列的点，就可以唯一确定一个相对差值。从步骤2)开始，本专利技术将生成一系列的相位屏，并计算其中每一个点的像素值和相对差值。每一个待生成的相位屏中，像素点的个数和基准点的排布与初始图像是相同的，区别仅在于待生成的相位屏的每一个点的像素值和相对差值在一开始都是未知的，需要通过本专利技术的方法进行计算。步骤2)使用所有被标记为已知值的基准点，计算第a个待生成相位屏中第b个基准点的像素值，并将其像素值标记为已知值；a为从1到N的正整数，b为从1到M的正整数，N为待生成的相位屏个数，M为每个相位屏中基准点的个数。具体而言，就是使用已知的所有基准点来计算当前新的待生成的新相位屏中的未知点。例如，第一次计算是用初始图像中的81个基准点来计算第一个待生成的相位屏中的第一个(第一行第一列)基准点，具体计算的内容是计算像素值和相对差值。该点计算完毕后，使用初始图像的81个点和刚刚计算完的点，共82个点，来计算第一个待生成的相位屏中的第二个(第一行第五列)的基准点。以此类推，当前需要计算的每一个点都是使用所有先前计算过的已知点来确定的，这样做可以保证相位屏之间的相关性。步骤3)使用所有被标记为已知值的基准点的位置信息输入至三维协方差矩阵预测模型，得到第a个相位屏的第b个基准点的概率分布值，将概率分布值乘以与位置相关的随机波动值，得到相对像素差值。并将其绝对像素差值标记为已知值；三维协方差矩阵预测模型可以用如下公式表示：和代表任意两个空间位置矢量；x1,y1,z1为的三个坐标分量；x2,y2,z2为的三个坐标分量；xn,yn,zn为当前相位屏图像中第n个像素点的三个坐标分量；为除去所代表的点外，其余的所有点的空间位置矢量；本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光在水下湍流中近距离传播的相位屏仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1)输入初始图像，初始图像用于生成相互间具有相关性的相位屏；初始图像中像素点的像素值用于表征相位值；初始图像中各个像素点的像素值和相对差值均被标记为已知值；初始图像和相位屏中的特定数量和位置的像素点被选定为基准点，并且每一行和每一列均具有相同数量的基准点；步骤2)使用所有被标记为已知值的基准点，计算第a个相位屏中第b个基准点的像素值，并将其像素值标记为已知值；a为从1到N的正整数，b为从1到M的正整数，N为待生成的相位屏个数，M为每个相位屏中基准点的个数；步骤3)使用所有被标记为已知值的基准点的位置信息输入至三维协方差矩阵预测模型，得到第a个相位屏的第b个基准点的概率分布值，将概率分布值乘以与位置相关的随机波动值，得到相对像素差值；并将其绝对像素差值标记为已知值；步骤4)将像素值与相对像素差值相加，得到第a个相位屏的第b个基准点的绝对值；步骤5)将b值加1；步骤6)重复步骤2)至步骤5)，直到第a个相位屏的M个基准点都计算完毕；步骤7)将a值加1；步骤8)重复步骤2至7，直到所有的N个相位屏中的所有的基准点都计算完毕；步骤9)对于第1个相位屏，生成(K‑P+1)×(K‑P+1)个进程，每个进程含有1个框架，每个框架含有第1个相位屏中的P×P个像素；每个进程用于计算其含有的框架中所有像素点的绝对值，各个进程中的框架互不相同，相互之间的关系为：第1个进程的框架左上角的点为当前相位屏第1行的第1个基准点，第2个进程的框架左上角的点为当前相位屏第1行的第2个基准点……第(K‑P+1)×(K‑P+1)个进程的框架左上角的点为当前相位屏的第K行的第K个基准点；其中K为相位屏一条边的基准点的个数；每个框架中包括Q个基准点；步骤10)使用并行计算的方法同时计算框架内每个点的绝对值，具体为：使用框架内的被标记为已知值的基准点计算任意一个未被标记为已知值的点的绝对值，直至框架内的所有点都计算完成；步骤11)所有进程计算完成后，将每个进程对相同的点计算得到绝对值求平均，得到最终每个点的绝对值；步骤12)对于下一个相位屏，重复步骤9)至步骤11)，直至所有的N个相位屏中的所有点都计算完毕，并输出所述的N个相位屏。...

【技术特征摘要】
1.一种光在水下湍流中近距离传播的相位屏仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1)输入初始图像，初始图像用于生成相互间具有相关性的相位屏；初始图像中像素点的像素值用于表征相位值；初始图像中各个像素点的像素值和相对差值均被标记为已知值；初始图像和相位屏中的特定数量和位置的像素点被选定为基准点，并且每一行和每一列均具有相同数量的基准点；步骤2)使用所有被标记为已知值的基准点，计算第a个相位屏中第b个基准点的像素值，并将其像素值标记为已知值；a为从1到N的正整数，b为从1到M的正整数，N为待生成的相位屏个数，M为每个相位屏中基准点的个数；步骤3)使用所有被标记为已知值的基准点的位置信息输入至三维协方差矩阵预测模型，得到第a个相位屏的第b个基准点的概率分布值，将概率分布值乘以与位置相关的随机波动值，得到相对像素差值；并将其绝对像素差值标记为已知值；步骤4)将像素值与相对像素差值相加，得到第a个相位屏的第b个基准点的绝对值；步骤5)将b值加1；步骤6)重复步骤2)至步骤5)，直到第a个相位屏的M个基准点都计算完毕；步骤7)将a值加1；步骤8)重复步骤2至7，直到所有的N个相位屏中的所有的基准点都计算完毕；步骤9)对于第1个相位屏，生成(K-P+1)×(K-P+1)个进程，每个进程含有1个框架，每个框架含有第1个相位屏中的P×P个像素；每个进程用于计算其含有的框架中所有像素点的绝对值，各个进程中的框架互不相同，相互之间的关系为：第1个进程的框架左上角的点为当前相位屏第1行的第1个基准点，第2个进程的框架左上角的点为当前相位屏第1行的第2个基准点……第(K-P+1)×(K-P+1)个进程的框架左上角的点为当前相位屏的第K行的第K个基准点；其中K为相位屏一条边的基准点的个数；每个框架中包括Q个基准点；步骤10)使用并行计算的方法同时计算框架内每个点的绝对值，具体为：使用框架内的被标记为已知值的基准点计算任意一个未被标记为已知值的点的绝对值，直至框架内的所有点都计算完成；步骤11)所有进程计算完成后，将每个进程对相同的点计算得到绝对值求平均，得到最终每个点的绝对值；步骤12)对于下一个相位屏，重复步骤9)至步骤11)，直至所有的N个相位屏中的所有点都计算完毕，并输出所述的N个相位屏。2.根据权利要求1所述，其特征在于，所述三维协方差矩阵预测模型用于计算空间任意两点间的相位波动情况，其计算公式为：C(r1→,r2→)=12[-Dφ(r1→,r2→)+T(r1′→)Σx1xnΣy1ynΣz1znDφ(r1′→,r2→)dx1′dy1′dz1′+T(r2′&Right...

【专利技术属性】
技术研发人员：王翰韬，张宇，张华俊，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23