[发明专利]水下阵列相机成像方法

权利要求书

1.一种水下阵列相机成像方法，其特征在于算法部分包括电场型蒙特卡洛仿真、海洋湍流模拟、波浪模拟以及频谱拼接图像重构算法，硬件部分包括激光器、阵列相机，由激光器发出主动照明的光源信号，经过水下湍流以及海面波浪反射后，照明成像物，成像物反射的激光光线，同样通过水下湍流以及海面波浪反射后，达到相机阵列，对于水下激光传输的电场型蒙特卡洛仿真，根据惠更斯-菲涅尔原理，激光的等相位面将离散为大量的次级球面子波源，子波源的密度与等相位面上的振幅分布对应，球面子波源将发射截面无限小的光电场，把截面无限小的光电场定义为“光子”，通过模拟大量的光子，可以模拟一个真实的球面子波源，通过对大量的球面子波源进行模拟，可以准确的模拟激光发射的光电场，激光的光电场在水下传输过程中，经过反射、吸收和散射，此外，水下湍流的存在会影响海水介质的相位，使用复数形式的高斯随机数值矩阵，利用湍流折射率功率谱对其进行滤波，再进行逆向傅里叶变换，得到湍流相位屏，将此湍流相位屏叠加到蒙特卡洛仿真的相位信息中，实现海洋湍流模拟，使用Pierson–Moskowitz谱模拟海洋波浪，激光器到达海洋波浪后，依据光学反射定律实现光学反射，当激光信号被阵列相机，再利用频谱拼接图像重构算法，重构成像物的图像；

其中，所述的电场型蒙特卡洛仿真，根据惠更斯-菲涅尔原理，激光的等相位面将离散为大量的次级球面子波源，子波源的密度与等相位面上的振幅分布对应，球面子波源将发射截面无限小的光电场，把截面无限小的光电场定义为“光子”，通过模拟大量的光子，可以模拟一个真实的球面子波源，通过对大量的球面子波源进行模拟，可以准确的模拟激光发射的光电场，激光的光电场在水下传输过程中，经过反射、吸收和散射，当光子到达水-气边界时，光子的折射角由斯涅尔定律所决定：n_isinθ_i＝n_tsinθ_t，其中θ_i和θ_t分别代表入射角和折射角，当偏振方向与反射面的夹角为σ时，其光强反射率为：此时，蒙特卡洛模拟程序会产生一个在(0,1)内均匀分布的随机数ε，当ε＞R(θ_i)，那么光子将会被折射，否则光子将被反射，海水的吸收和散射系数分别定义为μ_a[cm^-1]和μ_s[cm^-1]，光子的初始传输方向为s_k，其在笛卡尔坐标上的分量为(sx,sy,sz)，光子传输起点为(x_k,y_k,z_k)，相应的水平偏振与竖直偏振方向为(m_k,n_k)，在模拟中，将依据公式l＝-In(ε)/(μ_s+μ_a)，抽样光子的迁移自由程，在完成了自由程的传输后，光子到达新的位置(x_k+l×sx,y_k+l×sy,z_k+l×sz)，并被悬浮物所散射，依据Mie散射定理，散射前后的场强关系由公式所决定，其中θ和为偏转角和方位角，取值范围是(0,π)，利用米散射定律抽样产生具体数值，经过散射后，光子的行进方向与相应的电场偏振方向改变为上述过程循环，直至光子进入阵列相机为止；

其中，所述的频谱拼接图像重构算法，根据经典的光学衍射定律，从物体表面出射的相干光源，经过长距离传输后，等效于进行了光学傅里叶变换，相机对远距离物体成像，等效于先在傅里叶频谱域进行了孔径滤波后，再通过透镜获取相应图像，使用相机阵列对远距离物体成像，等效于在频谱域的不同频率进行孔径滤波后获取一系列图像，假设有相机数目为N，图像序列定义为I_lm，其中l表示相机的序号，取值范围是[1:N]，N是大于1的整数，利用水下光学仿真获取I_lm后，使用如下算法过程①任意假设成像物的场强分布为均匀强度的电场分布，使用傅里叶变换获得其频谱域U(k_x,k_y)，②使用电场型蒙特卡洛仿真，模拟光电场到达第l个相机像面的场强分布③将中的I_l，替换为使用相机i的探测的图像序列I_lm，即④对进行傅里叶变换，并更新U(k_x,k_y)中的第l个孔径区域，并利用傅里叶逆变换获取相应的⑤重复②-④，直至计算结果收敛，通过上述过程，获得重构图像。