水下目标激光成像的可视化模型

管风; 韩宏伟; 张晓晖

doi:doi:10.3788/CJL202047.0510002

中国激光, 2020, 47 (5): 0510002, 网络出版: 2020-05-12

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Model for Visualization of Laser Imaging of Underwater Targets

论文大纲

管风韩宏伟 ^*张晓晖

作者单位

海军工程大学兵器工程学院, 湖北武汉 430033

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摘要

为直观、全面、系统地分析设备参数、水体光学传输特性和目标反射特性对水下激光主动成像的影响,为水下光电成像系统的设计优化提供可视化参考依据,建立了水下激光主动成像的可视化模型。该模型基于蒙特卡罗方法追踪整个水下成像过程中光子的状态变化,分别采用几何光学近似和随机碰撞原理模拟随机粗糙表面和水体悬浮粒子对光的散射,并通过高斯物像公式获得最终的仿真图像,实现水下目标激光成像的可视化。为验证仿真结果,对在实验室受控水箱环境中获得的实际图像与相同参数条件下的模拟图像进行比较。结果表明,仿真图像与实验图像具有相同的特征及变化规律,表明该模型较好地模拟了水下激光主动成像的过程,准确度较高、可用性较好。

Abstract

In this work, a model for the visualization of active laser imaging of underwater targets is established. The model can be used to analyze the effect of equipment parameters, water optical transmission properties, and target reflection characteristics on the active underwater laser imaging system in a direct, comprehensive, and systematic manner and provide a visual reference for further optimization of underwater optical imaging systems. The model employs the Monte Carlo method to track the state changes of photons during the entire underwater imaging process. The scattering of light by random rough surface was simulated using geometrical optics approximation. Furthermore, the random collision principle was used to simulate the process of scattering of light by particles suspended in water. Finally, a two-dimensional image was obtained using the Gauss formula, which enables the visualization of underwater target laser imaging. To verify the simulation results, the actual images obtained in the laboratory's controlled water tank were compared with the simulated images under the same parameters. The results show that the simulation images have the same characteristics and change rules as the actual images. The results show that the model can simulate the process of underwater laser active imaging well, with high accuracy and availability.

1 引言

随着人们对于海洋探测需求的不断提升,水下激光成像技术因具有图像直观、空间分辨力高等优势^[1],逐渐在水下目标探测领域得到了广泛的应用。但水体对光的散射和吸收作用(尤其是多次散射作用)导致水下成像过程十分复杂多变,使得水下激光成像系统研制过程中存在诸多不稳定因素,因此对系统进行建模仿真是一种规避风险、优化设计的必要手段。

目前,水下成像仿真研究方法主要包括基于Jaffe-Mcglamery模型^[2]的方法和蒙特卡罗(MC)法。Sedlazeck等^[3]在Jaffe-Mcglamery模型的基础上加入了相机折射模型,考虑了镜头玻璃对光折射的影响,同时根据经验体散射函数^[4]建立了水下场景与海水实际参数(如叶绿素浓度或颗粒物大小)之间的关系。但该模型采用漫反射模型来计算目标表面反射光,没有考虑目标的材质及粗糙程度。通常基于Jaffe-Mcglamery模型的方法近似较多,计算不够精确,而MC法将光在水体内的传输看作大量的光子与悬浮粒子随机碰撞迁移的过程,利用随机数和概率计算其统计结果^[5],简化少,参数设置灵活,适用范围较广。王凤杰等^[6]仿真了不同浓度和厚度的云雾中激光的回波特性,假设接收面为无限大平面;黄爱萍等^[7]在前向散射光的仿真模型中考虑了光束宽度和接收视场角等参数。以上两个模型都未对散射介质内的目标进行成像仿真。陈宇思^[8]提出了应用于医学CT(computed tomography)成像的快速MC成像仿真模型,不同于传统MC法的对散射过程进行独立抽样,该模型是对预设的光子完整路径进行抽样,所有发射光子都可以到达探测器,大幅度提高了运算效率,但模型中目标位于射线源和探测器的中间,与水下激光成像方式不同。Li等^[9]针对目标模型为无限薄的圆柱体建立了激光距离选通水下成像系统模型,通过追踪目标的透射光来计算目标阴影与背景的对比度,并分析了散射次数与对比度的关系,但该模型中探测器所接收的是总光能量,无法根据其获得二维图像。肖国梁等^[10]建立了同步扫描水下激光成像系统模型,得出了目标反射点与环境光的对比度,但该模型只给出了线阵CCD的图像,并且是通过TracePro软件来设置目标表面的光学参数的,与真实目标表面存在一定的差异。

针对以上问题,本文建立了水下目标的激光二维图像可视化模型。考虑到真实目标表面大多为随机粗糙表面,采用几何光学近似方法^[11-12]来计算目标表面散射过程,将粗糙表面近似为大量微面元,追踪经微面元反射直至离开目标表面过程中光的状态变化。将几何光学近似方法与MC方法相结合,可同时仿真出水下目标和水体的后向散射光的二维图像。实验结果表明仿真图像的特征及变化规律与实际图像相同,所建模型可以较好地模拟水下激光主动成像过程。

2 仿真模型

图1所示为水下目标激光成像模型示意图,图中规定:光源与相机镜头平面均位于x、y轴所成平面内,由光源中心O_s指向相机镜头中心O_c的方向为y轴正方向,垂直于纸面向外的为x轴正方向,据此建立右手直角坐标系。待测目标平面与xOy平面平行,其中心坐标为(0,0,Z_a)且Z_a>0,设待测目标平面的宏观法向量沿z轴负方向。将照明光束等效为大量平行发射的光子,光束能量分布服从高斯分布,且设θ₀、φ₀为光子初始发射天顶角和方位角,k₀为初始发射方向的单位矢量,O_s与O点间距离为Z_atanθ₀,O_c与O点间的距离为l_d。相机镜头用一个薄透镜等效,其视场角为FOV(α_FOV),焦距为f',像距为l'。用(u,v)表示CCD的像敏单元。

图 1. 水下目标激光成像模型示意图

Fig. 1. Schematic of underwater target laser imaging model

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表 1. 不同传输路径内光子的传输方向

Table 1. Transmission directions of photons in different paths

Transmissionpath	Number ofcollisions	Direction of photons
Source→target	j₁(0≤j₁≤m₁)	k_j₁
On target surface	j₂(0≤j₂≤m₂)	k_m₁_+j₂
Target→camera	j₃(0≤j₃≤m₃)	k_m₁_+m₂_+j₃

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将水体悬浮粒子和水下目标对光的散射作用等效为光子与球形均匀粒子和目标表面微面元的碰撞,经碰撞之后,光子的能量及传播方向发生改变,结合图1,光子在水体内传播过程如表1所示,其中j_i、m_i (i=1,2,3 )分别表示光子在去程水体、目标表面和回程水体中运动时的当前碰撞次数和最大碰撞次数。m₁=0或m₃=0表明在去程水体(光源→目标)或回程水体中(目标→相机镜头)未发生散射。光子在本地微面元发生镜面反射时,n_L为本地面元法向量,利用菲涅耳公式计算反射后的光子能量。考虑到表面上的多次反射,需判断是否存在下一个反射点,若存在,则令当次反射的反射光子成为下一个反射点的入射光子,追踪光子运动状态直至其离开目标表面。m₂=0表明光子未到达目标上,只构成水体散射光。光子共经过m次碰撞(m=m₁+m₂+m₃)到达相机镜头平面,此时光子的位置坐标为(x_m,y_m,0),传播方向为k_m。

在进行仿真之前,首先需采用表面生成法^[13]在计算机上模拟出随机粗糙表面目标,当目标表面粗糙度处于0.2λ/cosθ₀<σ<2τ范围内时(λ、θ₀分别为入射波长和入射角,σ、τ分别为粗糙面均方根高度和相关长度),利用几何光学近似方法可以得到较精确的结果^[12]。

综上,可将水下目标激光成像MC模型的模拟过程分为以下几个阶段:1)对光子状态进行初始化;2)边界判断;3)光子在水体内传播时的状态更新;4)接收光子并成像。图2所示为所建立的MC仿真模型的模拟流程图,下文将给出模型中一些关键阶段所需的公式推导。

图 2. MC模型流程图

Fig. 2. Flow chart of the MC mode

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2.1 光子状态初始化

设光子的发射点坐标为P₀(x₀,y₀,z₀),则有

\begin{matrix} x_{0} = rcos φ_{s}, y_{0} = rsin φ_{s} - Z_{a} \tan θ_{0}, z_{0} = 0, (1) \end{matrix}

式中:r表示该光子在光源平面上的径向距离;φ_s表示光子发射点与光源中心连线的方位角,取值范围为[0,2π]。光子依据光源的强度分布特征来生成,本文采用基模高斯光束来模拟照明光源,则光子的径向距离r服从概率分布f(r)=1-exp[-r²/(2ε²)],其中ε²为光斑半径。采用获得伪随机数的方式确定光子的发射点坐标:令r= $\begin{matrix} \sqrt[]{- ε^{2} \ln (ξ_{1}^{2})} \end{matrix}$ ,ξ₁∈U(0,1);令φ_s=2πξ₂,ξ₂∈U(0,1),其中U(0,1)为[0,1]内的均匀分布。图3所示为发射10⁸个光子时所形成的光束横截面内的光子数分布。

图 3. 激光光束的光子数分布

Fig. 3. Photon number distribution of laser beam

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入射光天顶角为θ₀,方位角为φ₀,根据几何关系,可得光子的初始传播方向k₀=(sinθ₀cosφ₀,sinθ₀sinφ₀,cosθ₀)。用光子的权重值W表征光子能量,初始值为1,设置阈值W_th为0.0001,当W小于该阈值时,则终止对该光子的追踪。

2.2 边界判断

在本文所建立的全局坐标系中,用P表示光子在水体内传输过程中的坐标。两次散射之间光子的空间坐标的变换由k和l决定:(x',y',z')=(x,y,z)+l·k,其中l为两次散射之间光子所经过的路程,其计算式为^[5]

\begin{matrix} l = - \frac{\ln (ζ)}{μ_{e}}, (2) \end{matrix}

式中:ζ∈U(0,1);μ_e为水体的体衰减系数。

当光子在去程水体内经过j₁次散射后,光子的空间坐标为P_j₁(x_j₁,y_j₁,z_j₁),传播方向为k_j₁=( $\begin{matrix} k_{j 1}^{(x)} \end{matrix}$ , $\begin{matrix} k_{j 1}^{(y)} \end{matrix}$ , $\begin{matrix} k_{j 1}^{(z)} \end{matrix}$ ),则沿着光子当前传输方向k_j₁,P_j₁与目标平面的距离d₁= $\begin{matrix} |\frac{z_{j 1} - Z_{a}}{k_{j 1}^{(z)}}| \end{matrix}$ 。利用(2)式可获得l_j₁,若d₁>l_j₁,则光子继续在水体内传播,反之,光子在下一时刻入射到目标平面。根据空间直线方程得到光子与目标平面的交点坐标:

\begin{matrix} \{\begin{matrix} x_{m 1 + 1} = \frac{k_{m 1}^{(x)}}{k_{m 1}^{(z)}} (Z_{a} - z_{m 1}) + x_{m 1} \\ y_{m 1 + 1} = \frac{k_{m 1}^{(y)}}{k_{m 1}^{(z)}} (Z_{a} - z_{m 1}) + y_{m 1} \\ z_{m 1 + 1} = Z_{a} \end{matrix} 。 (3) \end{matrix}

若光子落到粗糙表面上,则该光子的入射点所对应的微面元的序列(n_x,n_y)可表示为

\begin{matrix} n_{x} = [\frac{x_{m 1 + 1} - X_{1}}{Δx}], n_{y} = [\frac{y_{m 1 + 1} - Y_{1}}{Δy}], (4) \end{matrix}

式中:[*]表示求整;Δx、Δy分别为x、y方向上的微面元长度;X₁、Y₁分别为目标上沿x轴和y轴正方向的起始坐标值。

当光子在回程水体内经过m₁+m₂+j₃次散射后,光子与下个散射点的距离为l_m₁_+m₂_+j₃,同理可得沿当前传播方向P_m₁_+m₂_+j₃与相机平面的距离d₂,若d₂>l_m₁_+m₂_+j₃,则光子继续在水体内传播,反之,则光子到达相机镜头所在平面,镜头平面方程为x²+ $\begin{matrix} (y - l_{d})^{2} \end{matrix}$ ≤D²/4,其中D为相机的通光孔径,根据空间直线方程可计算得到光子与镜头平面的交点坐标为(x_m,y_m,0),若 $\begin{matrix} x_{m}^{2} \end{matrix}$ + $\begin{matrix} (y_{m} - l_{d})^{2} \end{matrix}$ ≤D²/4则该光子被镜头接收。

2.3 光子传输

1) 更新传输方向

当光子与水体中悬浮粒子发生碰撞时,光子一次散射后的运动方向k'可由散射角θ和方位角φ计算得到。其中,θ由经验Henyey-Greenstein散射相函数^[5]得到,即

\begin{matrix} cosθ = \frac{1}{2 g} [1 + g^{2} - {(\frac{1 - g^{2}}{1 - g + 2 g ζ_{1}})}^{2}], (5) \end{matrix}

式中:ζ₁∈U(0,1);g为各向异性因子。在可见光波段,g通常在0.9左右。方位角φ服从[0,2π]内的均匀分布。设本地微面元的法向量为n_L,当光子到达目标表面后,其反射方向的单位矢量可表示为k'=k-2(k·n_L)n_L。

2) 更新光子权重值

由于水体的吸收作用,每发生一次散射,更新一次光子权重:W'=(μ_s/μ_e)W,其中μ_s为水体的体散射系数。光子在微面元表面发生反射,更新后的光子权重值W'=RW,其中R为反射率。根据菲涅耳公式,可得R= $\begin{matrix} \frac{1}{2} \end{matrix}$ ( $\begin{matrix} {|r_{s}|}^{2} \end{matrix}$ + $\begin{matrix} {|r_{p}|}^{2} \end{matrix}$ ),其中r_s、r_p分别为该微面元入射点处p波和s波的反射系数,W<0.0001可以视为光子能量衰竭,不再继续追踪该光子。

2.4 强度图像提取模型

为了更直观地描述水下目标散射光及水体后向散射光的强度特征,本文直接获得了二维图像。将相机镜头近似为薄透镜,利用高斯物像公式将不同接收方向、不同空间位置的光子映射到所对应的单个像元内。为了将三维空间的散射光成像到二维像面上,首先需将全局坐标系O-xyz下的坐标转换到相机坐标系下,接着转换到图像坐标系下,最后转换到图像像素坐标系下。图4所示为各坐标系之间的关系,相机坐标系中相机镜头的光心为原点O_c,z_c轴与相机镜头垂直,其负半轴指向像面,x_cO_cy_c平面平行于镜头表面,坐标系服从右手定则。设O-xyz坐标系中某点的坐标为P(x,y,z),其在相机坐标系中所对应的点的坐标为P_c,那么存在一个旋转矩阵M和平移向量T使得(x_c,y_c,z_c)=M(x,y,z)^T+T,根据本文所建模型,轴x_c、y_c、z_c分别与轴x、y、z平行,所以M= $\begin{matrix} (\begin{matrix} 1 \\ 1 \\ 1 \end{matrix}) \end{matrix}$ ,T= $\begin{matrix} (\begin{matrix} 0 \\ l_{d} \\ 0 \end{matrix}) \end{matrix}$ 。图像坐标系的原点o'_c为像面中心点,轴x'_c、y'_c分别与轴x_c、y_c平行。像素坐标系的坐标原点位于图像左上角,图像中心的像素坐标为(u₀,v₀)。

图 4. 4个坐标系之间的关系示意图

Fig. 4. Schematic of relationship among four coordinates

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设入射到相机镜头表面的光子在相机坐标系内的位置坐标为P_c(x_c,y_c,0),设入射方向的单位矢量k_m=( $\begin{matrix} k_{m}^{(xc)} \end{matrix}$ , $\begin{matrix} k_{m}^{(yc)} \end{matrix}$ , $\begin{matrix} k_{m}^{(zc)} \end{matrix}$ ),则其所对应的二维像面上的光子坐标为p'_c(x'_c,y'_c),为了分别求出像面上x'_c和y'_c方向上的坐标,将光子的传播方向矢量k_m分别向平面x_cO_cz_c和平面y_cO_cz_c投影。现以向x_cO_cz_c平面投影的分量为例计算y'_c方向上的坐标,图5所示为相机成像光路图。

图 5. 相机成像光路图

Fig. 5. Imaging light path of camera

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图5中, $\begin{matrix} k_{m}^{(ycOczc)} \end{matrix}$ 为k_m在平面y_cO_cz_c上的投影向量, $\begin{matrix} k_{m}^{(ycOczc)} \end{matrix}$ =(0, $\begin{matrix} k_{m}^{(yc)} \end{matrix}$ , $\begin{matrix} k_{m}^{(zc)} \end{matrix}$ ),则tanU_y_c= $\begin{matrix} \frac{k_{m}^{(yc)}}{k_{m}^{(zc)}} \end{matrix}$ ,U_y_c为物方孔径角。对距离Z_a处的目标进行成像时,根据高斯公式,像面距镜头平面的距离l'= $\begin{matrix} \frac{Z_{a} f'}{Z_{a} - f'} \end{matrix}$ ,则可得到h'=-l'tanU_y_c。根据相似关系有dh'= $\begin{matrix} \frac{y_{c} (l' - f')}{f'} \end{matrix}$ ,则该光子在图像物理坐标系o_cy'_c方向上所对应的坐标y'_c为

\begin{matrix} y'_{c} = h' - d h' = - \frac{f'}{Z_{a} - f'} [y + l_{d} + Z_{a} \frac{k_{m}^{(yc)}}{k_{m}^{(zc)}}] 。 (6) \end{matrix}

同理,可计算得到o_cx'_c方向上的坐标x'_c=- $\begin{matrix} \frac{f'}{Z_{a} - f'} \end{matrix} \begin{matrix} [x + Z_{a} \frac{k_{m}^{(xc)}}{k_{m}^{(zc)}}] \end{matrix}$ 。图像像素坐标系与图像物理坐标系上点的对应关系为

\begin{matrix} u = \frac{x'_{c}}{dx} + u_{0}, v = \frac{y'_{c}}{dy} + v_{0}, (7) \end{matrix}

式中:dx、dy分别为每个像元的长、宽。

3 实验系统

为了对模型仿真能力进行验证,搭建了水下激光成像实验系统(如图6所示),以进行实验图像与模拟图像的比较。光源采用长春新产业公司MGL-F-532-2W型固体激光器,波长为532 nm,出口光斑直径为2 mm,光束发散角小于1 mrad,经准直镜组扩束准直后近似为平行光。探测器采用PointGrey公司的FL3-GE-14S3M超紧凑型GIGE数字相机。目标采用尺寸为8 cm×8 cm的定制目标板,置于水箱中且位于相机视场中心,其上粘贴的黑白棋盘图案由PVC材料打印制成。水箱内水体的衰减系数可通过测出的浊度进行换算^[14]。由于SiO₂微球与染料墨水分别主要影响水体的散射特性和吸收特性^[15-16],因此实验中通过在清水中添加不同浓度的SiO₂微球和Lamy非碳素墨水的方式来控制水体的散射系数和吸收系数。

图 6. 水下激光成像实验系统示意图

Fig. 6. Schematic of underwater laser imaging system

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4 仿真结果及实验验证

共在三种水质(I、II、III)中对上文所述的棋盘目标进行了水下成像实验,所对应的衰减系数分别为0.12 m^-1、0.83 m^-1、1.162 m^-1,散射系数分别为0.08 m^-1、0.216 m^-1、0.447 m^-1,入射角为10°,成像距离为2 m;经扩束镜之后,测得目标表面的激光光斑直径为5 cm。根据实际的实验系统参数,设置仿真参数如下:入射光波长λ=532 nm;θ₀=10°;φ₀=90°;Z_a=2 m;ε²=0.02 m;黑色块目标的折射率n_B=1.38;白色块目标的折射率n_w=1.536;表面均方根粗糙度σ=1.95 μm,表面相关长度τ=9.84 μm;l_d=0 m;相机通光孔径D=8.5 mm,焦距f'=12 mm,垂直视场角 $\begin{matrix} α_{FO V_{⊥}} \end{matrix}$ =28°,水平视场角 $\begin{matrix} α_{FO V_{∥}} \end{matrix}$ =46°。

为了减少光子浪费,提高计算效率,入射的激光光斑直径为5 cm,目标面尺寸与光斑直径匹配,设为5.09 cm×5.09 cm,入射光子数为1.5×10⁹。

4.1 目标区域的仿真及实验结果

图7所示为3种水质中目标区域图像的仿真及实验结果,第一行为仿真结果,第二行为实验结果,从左至右所对应的水体水质分别为I、II、III。

图 7. 目标区域的仿真及实验图像。 (a)水质I;(b)水质II;(c)水质III

Fig. 7. Images of simulation and experiment of target region. (a) Water I; (b) water II; (c) water III

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从主观上比较,由图7可知,随着水质的变差,目标区域的清晰度逐渐降低,由于水体的多次散射作用,目标表面被照亮的面积增大,仿真图像和实验图像的变化趋势一致。客观上,采用无参考图像质量评价标准BRISQUE^[17]对目标区域图像进行计算,并比较同一种水质下的仿真与实验结果的相对误差。计算结果如表2所示,随着水质的变差,仿真和实验图像的BRISQUE参数都呈增大趋势,表明随着水体散射系数增大,目标区域的图像的对比度降低,仿真和实验结果的最大相对误差为2.71%。

表 2. 仿真及实验结果的BRISQUE参数

Table 2. BRISQUE value of results of simulation and experiment

Water	BRISQUE
Water	Simulation	Experiment	Error /%
I	30.9214	30.1065	2.71
II	58.9921	58.7636	0.388
III	62.5531	60.9476	2.63

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4.2 总体图像的仿真及实验结果

图8所示为同时包含目标及后向散射光的总体仿真和实验图像,为了便于观察仿真结果,第一、二列分别列出三维仿真图像和二维仿真图像,第三列为实验图像,第一至三行所使用的水体水质分别为I、II、III。主观比较图8(a)、(d)、(g)可知,随着水体散射系数增大,后向散射光的强度逐渐增强,且目标的前向散射光也显著增强。客观上,为了比较目标强度与水体后向散射光强度的关系,对所有的图像进行归一化,如图8(i)所示,框选出了5块区域,计算所有仿真和实验图像在这些区域内的归一化光强的均值,区域1为目标光斑中心,平均光强设为I_t,区域2~5为成像距离逐渐减小的后向散射光区域,设平均相对光强为I_b。计算每幅图像后向散射光与信号光的比值,计算结果如图9所示。由图9可知:随着水体散射系数的增大,I_b/I_t增大。当散射不太强时,后向散射光的强度分布几乎不随成像距离变化,但当散射足够强时,后向散射光的强度随着成像距离的增大迅速减弱,仿真图像和实验图像均符合以上趋势。但是在水质I、II条件下,目标和后向散射光的相对光强仿真结果较好;在水质III条件下,仿真图像的后向散射光平均光强的变化率大于实验图像。分析可能跟所加入的SiO₂微球的沉降有关,根据沉降速率测量结果,所加入粒子的浓度越大,沉降越快,所以在水质III下进行实验时,实际的散射系数可能比标定的值偏小,这导致后向散射光强度上升的速率降低。

图 8. 总体图像的仿真及实验结果。 (a)(b)水质I下的仿真结果;(c)水质I下的实验结果;(d)(e)水质II下的仿真结果;(f)水质II下的实验结果;(g)(h)水质III下的仿真结果;(i)水质III下的实验结果

Fig. 8. Results of simulation and experiment of entire image. (a)(b) simulation under water I; (c) experiment under water I; (d)(e) simulation under water II; (f) experiment under water II; (g)(h) simulation under water III; (i) experiment under water III

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图 9. 区域2~5的后向散射光与目标区域的平均光强的比值

Fig. 9. Ratio of average light intensity of backscattered light to that of target area in areas 2 to 5

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综上,通过对不同水质下的同一典型目标的仿真和实验结果进行比较,可知所建立的水下目标激光仿真模型可以正确地模拟水下目标反射特性,以及水体后向散射光强的分布特性,准确度较高,并且仿真结果十分直观简洁,参数丰富,变化灵活,可以用于仿真多种不同条件下的水下激光成像。

5 结论

本文建立了基于MC方法的水下激光成像可视化模型,并通过仿真与实验结果的比较验证了模型的有效性。下一步还可对水下连续光成像的最远成像距离,以及不同材质的典型水下目标的反射特性等进行进一步研究,为水下光电成像装备的设计优化提供可视化参考依据。目前,模型存在的问题是计算效率还有待提高,由于计算时间的限制,无法设定更多的光子数,因此后向散射光在图像上看起来分布的相对离散,不能形成类似实验图像一样的片状效果,未来还需将模型进行改进。除此之外,还考虑根据粒子粒径与碰撞概率的关系,对含有多粒径粒子的水体进行模拟,以更贴近实际水体。

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1 引言

2 仿真模型

图 1. 水下目标激光成像模型示意图

Fig. 1. Schematic of underwater target laser imaging model

表 1. 不同传输路径内光子的传输方向

Table 1. Transmission directions of photons in different paths

图 2. MC模型流程图

Fig. 2. Flow chart of the MC mode

2.1 光子状态初始化

图 3. 激光光束的光子数分布

Fig. 3. Photon number distribution of laser beam

2.2 边界判断

2.3 光子传输

2.4 强度图像提取模型

图 4. 4个坐标系之间的关系示意图

Fig. 4. Schematic of relationship among four coordinates

图 5. 相机成像光路图

Fig. 5. Imaging light path of camera

3 实验系统

图 6. 水下激光成像实验系统示意图

Fig. 6. Schematic of underwater laser imaging system

4 仿真结果及实验验证

4.1 目标区域的仿真及实验结果

图 7. 目标区域的仿真及实验图像。 (a)水质I;(b)水质II;(c)水质III

Fig. 7. Images of simulation and experiment of target region. (a) Water I; (b) water II; (c) water III

表 2. 仿真及实验结果的BRISQUE参数

Table 2. BRISQUE value of results of simulation and experiment

4.2 总体图像的仿真及实验结果

图 8. 总体图像的仿真及实验结果。 (a)(b)水质I下的仿真结果;(c)水质I下的实验结果;(d)(e)水质II下的仿真结果;(f)水质II下的实验结果;(g)(h)水质III下的仿真结果;(i)水质III下的实验结果

Fig. 8. Results of simulation and experiment of entire image. (a)(b) simulation under water I; (c) experiment under water I; (d)(e) simulation under water II; (f) experiment under water II; (g)(h) simulation under water III; (i) experiment under water III

图 9. 区域2~5的后向散射光与目标区域的平均光强的比值

Fig. 9. Ratio of average light intensity of backscattered light to that of target area in areas 2 to 5

5 结论

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2 仿真模型

图 1. 水下目标激光成像模型示意图

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表 1. 不同传输路径内光子的传输方向

Table 1. Transmission directions of photons in different paths

图 2. MC模型流程图

Fig. 2. Flow chart of the MC mode

2.1 光子状态初始化

图 3. 激光光束的光子数分布

Fig. 3. Photon number distribution of laser beam

2.2 边界判断

2.3 光子传输

2.4 强度图像提取模型

图 4. 4个坐标系之间的关系示意图

Fig. 4. Schematic of relationship among four coordinates

图 5. 相机成像光路图

Fig. 5. Imaging light path of camera

3 实验系统

图 6. 水下激光成像实验系统示意图

Fig. 6. Schematic of underwater laser imaging system

4 仿真结果及实验验证

4.1 目标区域的仿真及实验结果

图 7. 目标区域的仿真及实验图像。 (a)水质I;(b)水质II;(c)水质III

Fig. 7. Images of simulation and experiment of target region. (a) Water I; (b) water II; (c) water III

表 2. 仿真及实验结果的BRISQUE参数

Table 2. BRISQUE value of results of simulation and experiment

4.2 总体图像的仿真及实验结果

图 8. 总体图像的仿真及实验结果。 (a)(b)水质I下的仿真结果;(c)水质I下的实验结果;(d)(e)水质II下的仿真结果;(f)水质II下的实验结果;(g)(h)水质III下的仿真结果;(i)水质III下的实验结果

Fig. 8. Results of simulation and experiment of entire image. (a)(b) simulation under water I; (c) experiment under water I; (d)(e) simulation under water II; (f) experiment under water II; (g)(h) simulation under water III; (i) experiment under water III

图 9. 区域2~5的后向散射光与目标区域的平均光强的比值

Fig. 9. Ratio of average light intensity of backscattered light to that of target area in areas 2 to 5

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