[发明专利]基于双向反射理论的水下目标反射偏振光的仿真方法

权利要求书

1.基于双向反射理论的水下目标反射偏振光的仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)设置初始光源、散射环境以及反射目标的参数；

2)根据初始光源参数，采样初始光子坐标、运动矢量和斯托克斯矢量；根据散射环境参数，计算衰减系数、散射系数和单次反照率；

3)模拟光子移动，根据衰减系数，采样光子移动步长和能量权值；

4)根据光子移动步长和能量权值，判断光子行为：

若光子根据移动步长移动后到达反射面，则为反射，继续判断反射后的光子行为；

若光子根据移动步长移动后到达接收面，则为接收，进入步骤5)；

若光子根据移动步长移动后未到达接受面或反射面，则为散射，返回步骤3)；

若能量权值小于阈值，则消亡；

5)根据接收到的光子的运动矢量，计算最终接收光子的斯托克斯矢量；

6)对最终接收到的光子的坐标、运动方向、能量权值以及斯托克斯矢量进行统计分析，获得设定环境参数下的光子传输特性以及偏振特性的分析结果。

2.根据权利要求1所述的基于双向反射理论的水下目标反射偏振光的仿真方法，其特征在于：

步骤1)中，参数包括：发射总光子数N、发射光源频率λ、激光束发散半角φ_div和波束宽度w_width、发射光子斯托克斯矢量S₀＝[I₀ Q₀ U₀ V₀]、水下环境的散射粒子单位体积浓度N₀、粒子半径r、复折射率m＝m1-m2·i、介质的折射率n₁、传输距离d、反射面粗糙度σ、反射材料的折射率n₂、反射材料的吸收系数k_re、反射材料的反射系数r_re以及反射材料的尺寸。

3.根据权利要求2所述的基于双向反射理论的水下目标反射偏振光的仿真方法，其特征在于，步骤2)具体是：

定义光子位于直角坐标系的原点(0，0，0)，z轴向右的正方向为光子传输的方向；

由步骤1)设置的激光束发散半角φ_div和波束宽度w_width，得到波束的焦距为f_l＝-w_width/φ_div；

光子的初始散射角θ₀根据激光束的初始条件而定，θ₀＝-r₀/f_l，其中为波束半径的采样值，光子的初始方位角为φ₀＝2π·rnd2，其中rnd1，rnd2为0～1均匀分布的随机数，因此在发射平面上光子的初始横坐标和纵坐标分别为：

则光子的初始传播矢量余弦表达式为：

将全局参考系设置为XOZ平面，已知初始斯托克斯矢量为S₀＝[I₀ Q₀ U₀ V₀]，根据光子初始传播矢量，将光子初始斯托克斯矢量S₀旋转至相应子午面参考系，即L(ψ)·S₀，其中L(ψ)为旋转矩阵：

旋转角ψ通过下式解得：

光子在水中移动，碰到水中悬浮粒子，发生散射，基于步骤1)中设置的水下环境的散射粒子单位体积浓度N₀、粒子半径r、复折射率m＝m1-m2·i，根据米氏散射理论，计算出相应的衰减系数c，散射系数b，以及单次反照率ω＝b/c，并根据单次反照率设置能量权值阈值w_T为：