全链路散射介质光学成像模拟方法技术

本发明专利技术提供一种全链路散射介质光学成像模拟方法，属于散射介质成像领域，仿真过程包括建立与物体光强分布对应的点光源阵列，利用蒙特卡洛方法和时域有限差分法方法计算点光源阵列在散射介质中的传播特性，包括散射介质对光的散射和吸收；利用几何光学方法计算从散射介质出射的光经透镜汇聚到探测器光强分布

【技术实现步骤摘要】
全链路散射介质光学成像模拟方法


[0001]本专利技术属于散射介质成像领域，具体涉及一种全链路散射介质光学成像模拟方法
。

技术介绍

[0002]在很多场景下，待成像目标处于非均匀介质中，传统的可见光成像无法直接观测目标
。
这种非均匀介质通常较为复杂，比如水雾
、
雾霾
、
气溶胶
、
浑浊水体等等
。
在这种介质中，光子的传播方向会受到非均匀介质的干扰而改变，从而变得随机化
。
这种现象称为“散射”，这种非均匀介质称为“散射介质”。
当载有目标信息的光束经过散射介质时，光会与散射介质发生相互作用，导致载体信息发生损耗
。
因此，如何克服散射效应，透过散射介质获取目标信息，以为散射介质成像的特征提取
、
目标识别等研究提供理论依据，具有重要的科研意义与价值
。
[0003]对于光子在散射介质中的传输问题，一些科研技机构已经进行了研究和开发，如
University of Texas
开发的
MCML、University of California
开发的
MCNP、National Research Council of Canada
联合开发的
EGS4
等
。
虽然这些软件可以模拟粒子输运问题，但是均存在一些不足，
MCML
主要用于模拟外部准直光源发射的光子在多层平板型
3D
媒介中的传输，采用的光源模型和媒介模型都是简单的经典模型；
MCNP
可用于模拟多种粒子，如中子
、
光子
、
电子在
3D
媒介中的传输，但
MCNP
没有直接模拟随机光源参数的粒子在
2D
媒介中传输的功能；
EGS4
是模拟电子和光子在不同媒介中传输的软件开发包，但也缺乏直接模拟粒子在
2D
媒介中传输的功能
。
虽然这些光子传输特性仿真技术在生物光学等领域被广泛应用，但不能快速
、
有效地模拟在散射介质中的传输过程
。

技术实现思路

[0004]介于现有技术存在的缺陷和不足，本专利技术的目的在于提供一种全链路散射介质光学成像模拟方法，该方法用于实现物体图像光进入散射介质后，散射光由透镜作用，成像在探测器上的光学成像仿真
。
[0005]其考虑物体发出的光经散射介质，散射介质为水雾
、
雾霾或浑浊水体，传输后被成像透镜聚焦在探测器平面上，统计并分析探测器不同像元处光子特性的平均值，作为最终的成像结果
。
[0006]属于散射介质成像领域，仿真过程包括建立与物体光强分布对应的点光源阵列，利用蒙特卡洛方法和时域有限差分法方法计算点光源阵列在散射介质中的传播特性，包括散射介质对光的散射和吸收；利用几何光学方法计算从散射介质出射的光经透镜汇聚到探测器光强分布
。
本专利技术为研究透过散射介质获取目标信息，以为散射介质成像的特征提取
、
目标识别等研究提供理论依据，具有重要的科研意义与价值
。
[0007]该方案包括物体发光特性仿真
、
光在散射介质中的传播特性仿真以及透镜成像特性仿真，
[0008]物体发光特性仿真步骤是将待仿真物体视为点光源阵列，用于模拟物体的发光特性；
[0009]光在散射介质中的传播特性仿真步骤，考虑媒介和媒介中散射粒子对光的散射和吸收特性，模拟从物体发出的光在散射介质中的传输过程，得到光子到达透镜位置时光场特性；
[0010]透镜成像特性仿真步骤，在已知透镜参数的情况下，模拟光经透镜传输后在探测器上的成像特性并进行统计分析
。
[0011]本专利技术解决其技术问题具体采用的技术方案是：
[0012]一种全链路散射介质光学成像模拟方法，其特征在于，包括：
[0013]物体发光特性仿真
、
光在散射介质中的传播特性仿真以及透镜成像特性仿真；
[0014]所述物体发光特性仿真将待仿真物体视为点光源阵列，用于模拟物体的发光特性；
[0015]所述光在散射介质中的传播特性仿真考虑媒介和媒介中散射粒子对光的散射和吸收特性，模拟从物体发出的光在散射介质中的传输过程，得到光子到达透镜位置时光场特性；
[0016]所述透镜成像特性仿真在已知透镜参数的情况下，模拟光经透镜传输后在探测器上的成像特性并进行统计分析；
[0017]且在仿真中，物体，透镜和探测器三者之间的距离符合高斯成像公式
。
[0018]进一步地，所述物体发光特性仿真将待仿真物体视为点光源阵列，每个点光源的光强
、
波长
、
偏振特性由物体本身特性决定，阵列尺寸由实际物体大小决定，阵列中点光源的数量根据分辨率要求设置
。
使用包括拒绝采样法的随机抽样方法，随机生成光子的包括位置
、
散射角和方位角的参数，且使大量光子的统计特性满足点光源阵列的特性
。
[0019]进一步地，所述光在散射介质中的传播特性仿真将散射介质视为由不同形状大小
、
折射率的众多颗粒构成的组合体；根据待仿真散射介质的实际特性设置组合体的参数，包括组合体的浓度
、
粒径分布
、
折射率分布
、
单个粒子的形状，以确定散射介质的物理特性；并设置整个散射介质的空间分布，包括散射介质入射面与物体的距离，散射介质的形状和大小；使用时域有限差分法在已知粒子参数的情况下，计算单个粒子对光的散射特性，包括：穆勒矩阵，散射相函数，散射系数；再基于光散射理论，计算散射介质的散射系数，消光系数，光学厚度；结合计算获得的参数，利用蒙特卡洛方法仿真点光源阵列发出的光在散射介质中传播特性，计算光子到达透镜时的光场特性包括光子的空间位置
、
传播方向和偏振特性
。
[0020]进一步地，所述透镜成像特性仿真当中，透镜和探测器位于散射介质内，或位于散射介质外；透镜参数包括透镜尺寸
、
焦距
、
透镜与散射介质出射面的距离，透镜与探测器间的距离；探测器的参数包括像元的尺寸和像元的数量；
[0021]若透镜和探测器都位于散射介质外，且模拟前向散射时，根据几何光学计算光子经透镜传输后的位置和传播方向，从透镜出射的光子保持原有的偏振
、
波长
、
传播方向继续传播一定距离后到达探测器，未在透镜范围内的光子不进行计算，统计探测器各个像元位置处大量光子的总偏振特性和总的光子数，使用该统计值做为最终的成像结果；
[0022]若透镜和探测器都位于散射介质外，且模拟背本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种全链路散射介质光学成像模拟方法，其特征在于，包括：物体发光特性仿真
、
光在散射介质中的传播特性仿真以及透镜成像特性仿真；所述物体发光特性仿真将待仿真物体视为点光源阵列，用于模拟物体的发光特性；所述光在散射介质中的传播特性仿真考虑媒介和媒介中散射粒子对光的散射和吸收特性，模拟从物体发出的光在散射介质中的传输过程，得到光子到达透镜位置时光场特性；所述透镜成像特性仿真在已知透镜参数的情况下，模拟光经透镜传输后在探测器上的成像特性并进行统计分析；且在仿真中，物体，透镜和探测器三者之间的距离符合高斯成像公式
。2.
根据权利要求1所述的全链路散射介质光学成像模拟方法，其特征在于：所述物体发光特性仿真将待仿真物体视为点光源阵列，每个点光源的光强
、
波长
、
偏振特性由物体本身特性决定，阵列尺寸由实际物体大小决定，阵列中点光源的数量根据分辨率要求设置
。
使用包括拒绝采样法的随机抽样方法，随机生成光子的包括位置
、
散射角和方位角的参数，且使大量光子的统计特性满足点光源阵列的特性
。3.
根据权利要求2所述的全链路散射介质光学成像模拟方法，其特征在于：所述光在散射介质中的传播特性仿真将散射介质视为由不同形状大小
、
折射率的众多颗粒构成的组合体；根据待仿真散射介质的实际特性设置组合体的参数，包括组合体的浓度
、
粒径分布
、
折射率分布
、
单个粒子的形状，以确定散射介质的物理特性；并设置整个散射介质的空间分布，包括散射介质入射面与物体的距离，散射介质的形状和大小；使用时域有限差分法在已知粒子参数的情况下，计算单个粒子对光的散射特性，包括：穆勒矩阵，散射相函数，散射系数；再基于光散射理论，计算散射介质的散射系数，消光系数，光学厚度；结合计算获得的参数，利用蒙特卡洛方法仿真点光源阵列发出的光在散射介质中传播特性，计算光子到达透镜时的光场特性包括光子的空间位置
、
传播方向和偏振特性
。4.
根据权利要求3所述的全链路散射介质光学成像模拟方法，其特征在于：所述透镜成像特性仿真当中，透镜和探测器位于散射介质内，或位于散射介质外；透镜参数包括透镜尺寸
、
焦距
、
透镜与散射介质出射面的距离，透镜与探测器间的距离；探测器的参数包括像元的尺寸和像元的数量；若透镜和探测器都位于散射介质外，且模拟前向散射时，根据几何光学计算光子经透镜传输后的位置和传播方向，从透镜出射的光子保持原有的偏振
、
波长
、
传播方向继续传播一定距离后到达探测器，未在透镜范围内的光子不进行计算，统计探测器各个像元位置处大量光子的总偏振特性和总的光子数，使用该统计值做为最终的成像结果；若透镜和探测器都位于散射介质外，且模拟背向散射时，根据几...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭翠霞，张洪健，黄峰，潘志杰，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：