本发明涉及水下激光偏振探测领域，尤其是基于湍流相位屏水下偏振光传输的矢量蒙特卡洛模拟方法。
背景技术：
1、光学探测是人类对水下资源探测的主要手段之一，20 世纪 60 年代海水中发现蓝绿透射窗口以及光波相对声波方向性好、定位准确和准直度高的优势，为水下光学探测提供了理论基础。蓝绿激光具有穿透能力强、探测精度高等优点，被广泛应用于水深探测、海底地形地貌绘制及目标探测等领域，蓝绿激光海洋探测技术已成为一项极具发展潜力的热点技术。
2、海水对光信号的传播产生的复杂影响，包括由悬浮粒子、浮游生物和溶解盐引起的光信号吸收和散射效应，以及海水盐度、温度和密度变化导致的湍流效应，这些因素共同作用，导致光传输路径扭曲和光的偏振态随机变化，进而影响水下光通信和偏振光探测技术的效率和可靠性。吸收会导致光信号的能量衰减，而散射则会使光线偏离原始传播路径，引起到达接收器的光强减弱。由于散射路径的多样性，还会引入时延，导致信号失真。另外，光与水中的微粒相互作用会导致光的偏振态随机变化，在水下激光偏振探测系统中，偏振信息是重要的信号属性之一。如果偏振态在传播过程中发生变化，那么在接收端，原始的偏振信息可能部分或完全丢失，从而降低信号的可识别性和信息传输的准确性。湍流会影响光的传播方向，导致光路径产生扭曲，从而影响到达接收器的光信号的质量和强度。在极端情况下，湍流可以导致光束的显著偏移，极大降低接收信号的可靠性。
3、真实海水环境对传输光信号的影响是光吸收散射、湍流效应的综合效果。目前的方法是基于广义折射定律将湍流效应融入到模拟吸收散射的蒙特卡洛仿真框架下进行建模研究。但现有的这种复合传输模型，对于关注水下光传输偏振特性的研究工作并不适用。
技术实现思路
1、为了克服现有技术中存在的上述问题，本发明提出基于湍流相位屏水下偏振光传输的矢量蒙特卡洛模拟方法。
2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：基于湍流相位屏水下偏振光传输的矢量蒙特卡洛模拟方法，包括如下步骤：
3、步骤1，建立三维坐标系，设定z轴正方向为光传输方向，z＝0为光源所在平面，进行模拟参数设置，确定系统初始化；
4、步骤2，根据高斯分布的特性来采样光子的初始位置和方向；
5、步骤3，确定入射光的stokes参量，舍选法确定散射角 θ和方位角；
6、步骤4，更新stokes参量和散射方向；
7、步骤5，选定海洋功率谱，根据功率谱反演方法和高阶次谐波补偿法，联合生成海洋湍流相位屏;
8、步骤6，计算光子的随机步长；
9、步骤7，根据光子坐标、光子方向余弦与随机步长，判断光子是否与相位屏相交、是否达到接收面；
10、步骤8，若光子未与相位屏相交、未到达接收面，则更新碰撞后光子的坐标、方向、权重及stokes矢量；
11、步骤9，若光子与相位屏相交，未到达接收面，则计算光子与相位屏相交的坐标，更新光子坐标、方向及stokes矢量以及光子权重；
12、步骤10，循环执行步骤6-步骤9，直到光子与接收面相交。
13、上述的基于湍流相位屏水下偏振光传输的矢量蒙特卡洛模拟方法，所述步骤2具体包括：
14、步骤2.1，生成在(0,1)上均匀分布的随机数和；
15、步骤2.2，确定初始散射角；
16、其中，λ为波长，为初始束宽；
17、步骤2.3，确定初始方位角；
18、步骤2.4，确定距离；
19、步骤2.5，确定光子初始坐标为：
20、；
21、步骤2.6，确定光子初始方向为：
22、；
23、步骤2.7，步骤2.1-步骤2.6，即可生成所有光子的初始坐标和初始方向。
24、上述的基于湍流相位屏水下偏振光传输的矢量蒙特卡洛模拟方法，所述步骤3具体包括：设定为入射波总光强，为入射波的x和y两个方向光强的相差值；为± 45°线偏振光分量；表示偏振光中圆偏振的比例，入射波的stokes矢量可以表示为，其联合概率密度函数可表示为：
25、；
26、其中， θ为散射角，是光子传播方向与x轴正半轴之间夹角；β为方位角，是光子散射方向在xoy面上的投影与x轴正半轴的夹角；参数和为mueller矩阵的两个元素，当散射体为各向同性球体时，散射矩阵可以化简为：
27、；
28、参数、、、可以由散射振幅和得到：
29、；
30、其中，散射振幅和的大小与光子半径和光子复折射率有关；
31、选定舍选法选择出下一次散射的方位角和散射角 θ，对联合概率密度函数中的两个随机变量，先均匀抽样，分别为第t时刻抽样的散射角、方位角和联合概率密度函数，其对应的取值范围分别为(0,π)、(0,2π)和(0,1)；若，则选取成功，进入步骤4，否则重新选取。
32、上述的基于湍流相位屏水下偏振光传输的矢量蒙特卡洛模拟方法，所述步骤4具体包括：
33、步骤4.1，从入射子午面旋转到散射面,引入旋转矩阵，将子午面的stokes参数旋转到散射面入射,旋转后的stokes参量由入射stokes参量s与旋转矩阵相乘获得，其中；
34、步骤4.2，将stokes参量在散射面进行两点转动参考面不变，此时的转换矩阵为mueller矩阵；同时更新光子的方向：
35、当时，
36、；
37、其中，为散射前光子的方向；
38、当时，
39、；
40、步骤4.3，由散射面回到出射的新的子午面，此时的旋转矩阵，旋转角的表达式：
41、；
42、最终散射后的stokes参量表示为：；
43、式中，表示散射前的stokes参量；由于stokes参量是一个统计结果，最后总的偏振光的状态为：
44、；
45、其中，为光子数。
46、上述的基于湍流相位屏水下偏振光传输的矢量蒙特卡洛模拟方法，所述步骤5具体包括：
47、步骤5.1，选定海洋湍流功率谱模型：
48、；
49、其中，k为空间波数；表示海水单位质量湍流动能耗散率；是kolmogorov内尺度；；为均方温度耗散率；表示海洋湍流功率谱中温度和盐度起伏引起折射率变化贡献的比率；
50、步骤5.2，利用湍流折射率谱和复高斯随机数矩阵产生相空间复随机场，进行逆傅里叶变换获得二维相位的空间分布：
51、；
52、式中，和分别代表 x方向和 y方向的离散空间频率，，，其中和分别代表 x方向和 y方向的格点尺寸；表示高斯随机分布且均值为零的复随机矩阵；为相位屏在z轴上的间隔，k为空间波数；
53、步骤5.3，设定谐波次数，选用低频次谐波补偿法对相位屏的进行低频补偿，生成新的相位屏，表达式为：
54、；
55、式中，为相位屏低频补偿项， p为次谐波级数，且次谐波频率间隔；
56、步骤5.4，重复步骤5.1-步骤5.3，即可生成全部相位屏。
57、上述的基于湍流相位屏水下偏振光传输的矢量蒙特卡洛模拟方法，所述步骤6具体计算公式为：
58、光子的随机步长；
59、其中，为在(0,1)之间均匀分布的伪随机数；c为衰减系数；
60、若光子未碰撞之前的位置为和传播方向z上的角余弦为，光子位置的更新方法为：
61、。
62、上述的基于湍流相位屏水下偏振光传输的矢量蒙特卡洛模拟方法，所述步骤8具体包括：利用舍选法选择出散射的方位角和散射角 θ，更新光子的方向：
63、当时，
64、；
65、当时，
66、；
67、更新stokes参量：
68、；
69、，，；
70、；
71、更新光子坐标：
72、；
73、更新光子权重：
74、；
75、式中，为更新之前的光子权重， bb为散射系数， c为衰减系数。
76、上述的基于湍流相位屏水下偏振光传输的矢量蒙特卡洛模拟方法，所述步骤9具体包括：计算光子与相位屏相交的坐标为：
77、；
78、其中，和分别为穿过光子相位屏前的坐标和方向，为相位屏在z轴方向上的位置；
79、光子穿过相位屏时，其传输方向会发生变化，根据广义斯涅尔定律，新的光子方向表示为：
80、；
81、式中，为光波数；为相位屏的空间相位函数；
82、光子穿过相位屏后，下次散射发生前的光子坐标表示为：
83、；
84、更新光子的方向：
85、当时，
86、；
87、当时，
88、；
89、同时更新stokes参量：；
90、，，
91、，；
92、更新光子权重：
93、；
94、其中，为更新之前的光子权重， bb为散射系数， c为衰减系数。
95、本发明的有益效果是，本发明能够同步考虑水体的衰减和湍流效应对偏振光传输的影响，更加全面的模拟偏振光在海水中的传输过程；
96、本发明模拟过程中采用高阶次谐波补偿法对基于fft法生成的湍流相位屏进行低频补偿，重新生成的湍流相位屏更加真实可靠；
97、本发明通过对光子偏振状态的追踪，可以获取接收端光子的偏振状态，能够更加直观、全面、系统地分析水体的光学传输特性对水下偏振探测系统的影响。可为水下偏振探测系统的设计优化提供可视化参考依据。
1.基于湍流相位屏水下偏振光传输的矢量蒙特卡洛模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于湍流相位屏水下偏振光传输的矢量蒙特卡洛模拟方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：
3.根据权利要求1所述的基于湍流相位屏水下偏振光传输的矢量蒙特卡洛模拟方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：设定为入射波总光强，为入射波的x和y两个方向光强的相差值；为± 45°线偏振光分量；表示偏振光中圆偏振的比例，入射波的stokes矢量可以表示为，其联合概率密度函数可表示为：
4.根据权利要求1所述的基于湍流相位屏水下偏振光传输的矢量蒙特卡洛模拟方法，其特征在于，所述步骤4具体包括：
5.根据权利要求1所述的基于湍流相位屏水下偏振光传输的矢量蒙特卡洛模拟方法，其特征在于，所述步骤5具体包括：
6.根据权利要求1所述的基于湍流相位屏水下偏振光传输的矢量蒙特卡洛模拟方法，其特征在于，所述步骤6具体计算公式为：
7.根据权利要求1所述的基于湍流相位屏水下偏振光传输的矢量蒙特卡洛模拟方法，其特征在于，所述步骤8具体包括：利用舍选法选择出散射的方位角和散射角θ，更新光子的方向：
8.根据权利要求1所述的基于湍流相位屏水下偏振光传输的矢量蒙特卡洛模拟方法，其特征在于，所述步骤9具体包括：计算光子与相位屏相交的坐标为：
