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申请/专利权人：北京航空航天大学

摘要：本发明公开了一种水下非视域数据获取系统及水下非视域物体建模方法，其中系统包括发射部、光路部和接收部；发射部用于发射脉冲宽度为飞秒级别的激光；激光通过光路部后射出至接收部；接收部用于对接收到的激光进行处理，获取水下非视域单光子数据；水下非视域单光子数据包括空间点的体密度、空间点在空间角下的反照率，以及空间角下的相函数。该系统保证了水体环境下的高信噪比，实现了真实浑浊高散射水体中精准捕获信号，为后续水下非视域物体建模奠定了基础。

主权项：1.一种水下非视域物体建模方法，应用于水下非视域数据获取系统，其特征在于，包括如下步骤：对水下空间坐标系下的每个空间点的物理特征进行建模，实现构建多层感知机子模型；对水下漫反射介质和水下非视域目标物体之间的球面光波传播路径进行建模，实现构建非视域球面光波传播子模型；对水下漫反射介质和水上单光子相机之间的球面光波传播路径进行建模，实现构建半解析蒙特卡洛子模型；通过所述多层感知机子模型、所述非视域球面光波传播子模型和所述半解析蒙特卡洛子模型，基于水下非视域单光子数据获取最优参数，根据所述最优参数实现对水下非视域目标物体的建模；所述多层感知机子模型的输入包括：每个空间点的位置，以及每个空间点与水下漫反射介质入射光点连线的空间角；所述多层感知机子模型的输出包括：每个空间点的体密度、每个空间点在空间角下的反照率，以及空间角下的相函数；水下漫反射介质和水下非视域目标物体之间的球面光波传播路径及能量转换具体包括：1球面光波从空间点发出到达目标物体表面；球面光波在达到目标物体表面过程中，因粒子吸收与散射带来的衰减能量dE表示为： 其中，d表示取微分值；E表示初始的球面光波能量；a表示分子直径；σ表示空间点的体密度；r表示当前时刻的球面光波球面半径；Ω表示发射角；A表示公式简化式；B表示相函数在前向散射范围上的积分；ρ表示空间点在空间角下的反照率；将球面光波到达目标物体表面时的剩余能量EQ表示为： 其中，r'表示球面光波到达目标物体表面时的球面光波球面半径；θ,φ表示空间点与水下漫反射介质入射光点连线的空间角，其中，θ表示水下漫反射介质入射光点连线在XoY所在平面投影获得的角度；φ表示水下漫反射介质入射光点连线在YoZ所在平面投影获得的角度；EP表示由空间点P点发出的球面光波的初始能量；XoY为与水面平行的平面；Y轴与漫反射介质平面垂直方向；Z为水深方向；e表示自然对数；2球面光波在目标物体表面处进行反射后返回至空间点；将球面光波在目标物体表面处反射时的初始能量EQ'表示为：EQ'r,θ,φ＝A·σr,θ,φ·2a·ρr,θ,φ·EQr,θ,φ将球面光波从目标物体表面返回空间点后的剩余能量EP'表示为： 其中，r0表示入射光斑半径；3在所述球面光波从空间点发出到达目标物体表面，以及球面光波在目标物体表面处进行反射后返回至空间点的过程中，在向后散射的影响下，球面光波从空间点发出到达水下漫反射介质处，并在水下漫反射介质处进行反射后返回至空间点；将球面光波在水下漫反射介质处反射时的初始能量ER'表示为：ER'＝A·a·ρr,θ,φ·1-Β·ER其中，ER表示球面光波在到达水下漫反射介质处的剩余能量；将球面光波从水下漫反射介质处返回空间点后的剩余能量EP”表示为： 4对球面光波从目标物体表面返回空间点后的剩余能量EP'，以及球面光波从水下漫反射介质处返回空间点后的剩余能量EP”进行积分求和，获得球面光波在t时刻返回至空间点后的能量强度；表示为： 其中，x表示空间点的横坐标；y表示空间点的纵坐标；表示目标物体对应的空间点坐标；c表示目标物体处介质的光速；τ表示球面光波在t时刻返回至空间点后的能量强度；水下漫反射介质和水上单光子相机之间的球面光波传播路径及能量转换包括：球面光波从水下漫反射介质到水上单光子相机；将水上单光子相机接收到的球面光波能量作为球面光波返回至空间点的能量；表示为： 其中，E'表示水上单光子相机接收到的球面光波能量；ΔΩ表示水上单光子相机的接收角；di表示每i层粒子厚度；β表示空间角的相函数；所述通过所述多层感知机子模型、所述非视域球面光波传播子模型和所述半解析蒙特卡洛子模型，实现对水下非视域目标物体的建模；具体包括：S1、对空间点的体密度、空间点在空间角下的反照率，以及空间角下的相函数进行初始化；S2、判断上一轮被优化的对象是否为相函数；若是，则执行步骤S3；若否，则执行步骤S4；S3、通过所述多层感知机子模型输出体密度和反照率；并通过所述非视域球面光波传播子模型分别计算体密度和反照率的均方误差；基于体密度和反照率的均方误差继续进行迭代优化；S4、通过所述多层感知机子模型输出相函数；并通过所述半解析蒙特卡洛子模型计算相函数的均方误差；基于相函数的均方误差继续进行迭代优化；S5、重复执行步骤S2-S4；对体密度、反照率和相函数进行交替优化，直到达到预设迭代次数；输出当前的体密度作为最优参数；S6、基于所述最优参数进行渲染，实现对水下非视域目标物体的建模。

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百度查询： 北京航空航天大学 一种水下非视域数据获取系统及水下非视域物体建模方法