水下光场的迭代求解

水体对光线的散射是水下图像质量劣化的重要因素,为了定量分析在特定光源照射下水体散射的影响,建立了光线水下传输的散射模型,以此为基础推导出求解水下光场分布的Fredholm积分方程.在水中光线能量随距离的增大呈指数规律衰减,基于此,在水体体散射函数为常数的情况下,给出了有边界条件时该积分方程的数值迭代求解方法,得到高精度...     

本期重点推荐论文北大核心

《水下光场的蒙特卡罗法求解》针对水下光电成像的应用需求,建立光子水下传输概率模型,利用蒙特卡罗方法求解水下光子照度随深度的分布特性,并与文献迭代法的计算结果进行比对,验证了该方法的有效性。在此基础上,模拟分析了水下点光源形成的光子照度随深度的分布特性,论文有关结果对实际工作有一定参考价值。     

基于Fournier Forand体积散射函数的水中激光脉冲后向散射特性分析模型

基于Fournier Forand体积散射函数,建立了一种水中激光脉冲后向散射仿真模型.运用该模型可用Monte Carlo方法模拟光子在水中的传播过程,并得到光波后向散射的冲击响应.将初始激光脉冲与冲击响应进行卷积并求其傅里叶谱,即可得到激光脉冲后向散射信号的时域和频域特征.利用该模型分析了入射为高斯型激光脉冲时,水中散射体的尺度分布、散射体与纯水的相对折射率以及水体衰减系数对激光脉冲后向散射特性的影响.结果表明：随着小尺度散射体相对数量的增多、散射体与纯水相对折射率的增加、水体衰减系数的增大,激光脉冲后向散射信号能量增强,宽度增加,低频分量显著增大.     

基于Fournier Forand体积散射函数的水中激光脉冲后向散射特性分析模型

基于Fournier Forand体积散射函数,建立了一种水中激光脉冲后向散射仿真模型.运用该模型可用Monte Carlo方法模拟光子在水中的传播过程,并得到光波后向散射的冲击响应.将初始激光脉冲与冲击响应进行卷积并求其傅里叶谱,即可得到激光脉冲后向散射信号的时域和频域特征.利用该模型分析了入射为高斯型激光脉冲时,水...     

基于光子图海水点扩展函数的估计

海水中粒子对光的散射是水下图像模糊的主要原因。点扩展函数能够反映海水中光的空间扩散程度,使用点扩展函数,水下图像能被恢复或增强。提出了一种基于光子图海水点扩展函数的估计方法,该方法通过用光子图求解辐射传输方程,对光场内任意点的辐射强度进行估计。通过与蒙特卡洛仿真点扩展函数的方法相比较,结果表明两者具有较好的一致性。     

非视线紫外光信号传输时间特性的数值模拟

在研究紫外光学非视线通信技术中,需要深入了解由于紫外大气散射效应所带来的各种信号畸变.传统的单次散射近似方法在进行较远距离、复杂天气条件下非视线光传输模拟时误差很大,采用基于Monte Carlo(MC)方法改进算法进行非视线紫外光信号传输的数值模拟,通过随机抽样的方法模拟光子在大气系统中的随机游动,在光子被大气中的粒子散射时计算其进入探测器的概率,模拟大气系统的脉冲响应函数.模拟结果表明:采用光子散射探测概率方法改进后的MC模型在模拟非视线光信号传输时计算效率显著提高;大气系统对非视线传输时的紫外光脉冲具有很强的展宽效应;随着光信号传输距离的增大,信号强度呈近似指数衰减的趋势.     

基于涡旋光场水下激光雷达空间滤波技术研究北大核心CSCD

基于水下激光雷达目标回波和多次散射杂波空间相干性的差异,利用涡旋光场形成的特点,使用螺旋相位板附加环状掩膜板形成空间滤波装置,将目标反射信号与多次散射信号进行空间分离。由于目标反射信号具有良好的空间相干性,经过螺旋相位板后会形成涡旋光,而散射杂波由于其空间相干性被多次散射破坏,会按照散射规律呈现类高斯的中间强边缘弱的分布。利用环状掩膜板只容许涡旋光通过,到达探测器,从而降低了散射对测距的影响。上述空间滤波装置应用于载波调制相位测距及脉冲测距水下激光雷达系统中,均可以大幅提高浑浊水体中目标的测距精度。     

聚合物中多重光散射传导的Monte Carlo数值模拟

基于米氏散射(Mie scattering)理论,建立填充分散粒子群的聚合物对光散射传导的Monte Carlo数学模型.在此基础上,编写了一套仿真模拟程序.通过模拟单个光子在聚合物中的多重散射运动过程,把问题扩展到以激光束或线状光为入射源,得到在聚合物板块内的光传导情况,并且在计算机上图像化地重现整个物理过程,对输出光强的分布情况进行模拟统计分析.模拟结果表明,利用体散射机制,可以将点光源和线光源转换为平面光输出,输出光的状态可以通过对比计算结果实施有效控制.     

Monte Carlo方法模拟光在生物组织中传播的新进展

Monte Carlo方法已被广泛用于模拟复杂的随机介质如生物组织中光的辐射传输.在生物光子应用中,早期的Monte Carlo模拟模型忽略了光在组织中传输的波动性,而用中性粒子光子包来模拟其传播过程.然而,许多光学诊断技术是基于光在组织中的偏振效应和多重散射的相干性来揭示组织的生理和病理信息,这就要涉及光辐射的波动性.本文阐述了用Monte Carlo方法模拟光在生物组织中传播的最新进展.     

牙齿组织自体荧光光场仿真分析

利用有限元数值方法对扩散方程进行求解,将激发光场作为荧光传输扩散方程的光源,获得了二维牙齿模型内部自体荧光光场的分布。讨论了牙釉质和牙本质不同散射系数时牙齿上表面的荧光能量分布。发现牙齿上表面荧光能量随牙釉质散射系数的增大而降低,随牙本质散射系数的增大而增大。并对牙釉质和牙本质的散射系数的改变量对荧光能量的影响进行了定量分析,结果表明βe=2.62,βd=0.0502,牙釉质散射系数的改变对荧光能量的影响远远大于牙本质。利用Monte Carlo随机统计方法对牙齿组织自体荧光进行仿真,发现与有限元结果吻合较好,验证了有限元求解组织体荧光光场分布的正确性。     

基于双向反射函数的水下激光引信回波仿真方法

针对鱼雷激光近炸引信探测水下近场目标的需求,开展了水下激光引信回波蒙特卡洛仿真方法研究.结合水下激光引信探测特点建立水下目标回波的蒙特卡洛仿真模型.为了提高水中非朗伯目标表面回波仿真的准确度,推导了基于双向反射函数的光子反射方向概率分布,根据概率分布随机抽样光子反射方向.仿真了不同距离和入射角度条件下的水中目标回波信号.仿真结果表明:目标回波幅度随目标距离和入射角度的增大迅速下降,目标距离在6~12m内变化时,信号峰值动态范围为11.5dB;目标距离为8m,激光入射角在0~45°内变化时,信号峰值动态范围为9.2dB.为验证仿真方法的正确性,在水池中进行水中目标蓝绿激光探测实验,实验结果和仿真结果一致.研究成果可为解决传统蒙特卡洛方法在水中非朗伯面目标回波仿真中的适用性问题及水下激光引信优化设计提供参考.     

水下激光通信中脉冲时域展宽的模拟计算方法

针对激光脉冲在水下传输时导致脉冲的时域展宽,严重地影响了水下激光通信的性能。以蒙特卡罗模拟为手段,在一定的水质条件下,对激光脉冲经过不同传输距离后的脉冲宽度进行了计算机模拟,模拟结果与实验测量数据相符,精确度高于其他方法,该方法尤其适用于激光脉冲远距离传输的情况,证明了该方法可准确地计算激光脉冲展宽后的脉宽值,能有效地提高水下激光通信的性能。     

A Monte Carlo study of penetration depth and sampling volume of polarized light in turbid media

Detection depth and sampling volume of polarized light in highly turbid, cylindrically-shaped samples are estimated using pathlength distributions calculated from a polarization-sensitive Monte Carlo model. Due to defined ranges of the polarized light pathlength distribution, the estimated penetration depth and the interrogated volume of the polarization-maintaining photon subpopulation are smaller than those of the whole collected photon population, the latter exhibiting a wider pathlength distribution resulting from multiple scattering. It is also demonstrated that the spatial interrogation extent of polarized light in turbid media is greatly affected by the experimental detection geometry.     

用蒙特卡罗光子追迹方法分析闪光灯的结构设计

闪光灯反光罩结构设计的目标是使得所拍摄视场内的光能量分布尽量均衡。不同于基于几何光学理论的闪光灯计算和设计方法,采用了蒙特卡罗光子追迹法来分析闪光灯的结构设计。通过对照相机闪光灯几何结构的分析,引入余弦随机变量等方法,建立了闪光灯系统中光源、反光罩、菲涅耳透镜等部件的数学模型。先用蒙特卡罗光子追迹法模拟了单光子在闪光灯中飞行的各种可能状态,再通过产生大量光子仿真真实的情况。并对一个具体的闪光灯结构进行了计算,计算得到了光强和光子方向矢量在水平、垂直两个方向的投影角之间的分布曲线图。仿真结果符合设计要求并与实测曲线很接近,从而验证了蒙特卡罗光子追迹法在闪光灯结构设计中的可行性。     

基于Stokes矢量的实时偏振差分水下成像研究

偏振差分水下成像能够有效地克服光散射效应造成的图像退化问题, 在水下物体探测与识别领域具有重要应用价值. 传统的偏振差分方法靠光学检偏器的无规则机械转动来实现对散射背景的共模抑制, 限制了其在水下成像过程中的实时探测性能. 本文通过分析偏振差分探测原理来建立偏振差分成像模型, 从理论上提出了基于Stokes矢量的计算偏振差分水下实时成像系统, 并进行了实验验证. 研究结果表明, 基于Stokes矢量的计算偏振差分成像不仅与传统的偏振差分方法具有相同的水下探测效果, 更重要的是可以实现快速成像过程. 该方法可以应用到目前的偏振成像仪器系统, 实现无需人-机互动的自动化实时偏振差分水下成像, 进一步提高水下物体探测与识别的效率.     

相干瑞利散射海水水下温度测量技术的理论研究

海水水下温度的快速大范围测量是海洋监测的重要内容,在民用和军事领域都有着至关重要的意义,本文提出了采用相干瑞利散射方法测量海水水下温度的新方法:用宽带高速光电探测器接收本振激光和海水后向瑞利散射光相干产生的差频信号,进行傅里叶变换分析获取海水瑞利散射展宽谱,从而反演海水温度,首先从海水的热力学特性出发,对利用瑞利散射谱测量海水水下温度的基本原理进行了理论研究和软件模拟;然后对采用相干探测测量海水瑞利散射谱的测量方法进行了理论分析和软件模拟;在此基础上对瑞利散射海水水下温度测量精度进行了分析,得出当水体瑞利散射频谱半宽度测量精度为1 MHz时,测温精度约为0.35 K。     

激光脉冲宽度对远距离尾流气泡后向检测的影响

为了分析激光脉冲宽度对远距离尾流气泡后向检测的影响,基于Fournier Forand体积散射函数,通过Monte Carlo方法建立了水中激光脉冲后向散射信号时域特征的分析模型.利用该模型研究了初始激光脉冲宽度不同时,水中远距离舰船尾流气泡的激光脉冲后向散射信号变化情况.结果表明:随着初始激光脉冲宽度的增加,后向散射信号中水体散射信号与尾流气泡回波信号的轮廓变得模糊|当脉冲宽度增大到一定程度时,无法从后向散射信号中辨别出回波信号|并且,随着尾流区气泡散射强度的减小以及气泡区与检测器之间距离的减短,这种变化趋势变得更加明显.基于仿真结果,提出一种基于逆卷积运算的尾流气泡回波信号提取方法.