基于几何光线追踪的覆水路面激光散射光强分布快速计算方法

本发明属于激光散射测量，主要涉及一种基于几何光线追踪的覆水路面激光散射光强分布快速计算方法。

背景技术：

1、维护行车与道路交通安全是我国建设智能交通系统的重要环节，该过程通常伴随着对所驾驶道路环境的监测，随着计算机技术与人工智能产业的发展，自动驾驶技术、辅助驾驶技术以及路面检测技术不断兴起，因此涌现出各式各样的环境感知传感器。不同覆水状态路面的激光散射特性对于车载光学传感器的探测性能以及路面状态的识别效果有着很大影响，然而现阶段对于路面状态探测的研究大多数是关于技术层面，对路面散射状态理论方面的研究也主要集中微波毫米波的雷达波段，随着光学传感器不断在环境探测应用中的兴盛与普及，其探测性能以及对于覆水路面识别能力的提升急需对不同覆水状态下路面激光散射特性的变化规律进行理论研究。

2、以往对于路面在雷达波段散射特性的研究常使用基于解析近似如基尔霍夫近似方法或是基于数值计算如时域有限差分方法等。当研究覆水路面激光散射特性时，传统解析近似方法波长与路面粗糙尺度不匹配，数值计算方法通常计算量太大，对于覆水层的研究通常将其视为等效介质表面忽略了水面与水体对散射光的影响效应。因此，目前缺乏一种可用于激光波段的覆水路面散射模型，能够在满足近似计算条件的基础上提高计算效率，提高延伸到光波段时求解覆水粗糙表面散射场的可行性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于几何光线追踪的覆水路面激光散射光强分布快速计算方法。

2、为实现上述目的，本发明提供的技术解决方案为：

3、与现有技术相比，本发明的显著优势为：

4、1.本发明对路表面结构建模基于实际测量得到的亚毫米尺度路面轮廓数据，将仿真模型与实际数据相结合使得计算结果更具有真实性；

5、2.本发明在亚微米尺度测量数据的基础上依据自相似性原理进一步划分到满足计算条件的微米尺度，对路面结构描述更精确，计算精度与准确度更高；

6、2.常规覆水路面主要通过等效介质理论，即以水含量的百分比计算路面覆水对于散射分布的影响，本发明考虑了覆水路面的层状结构以及覆水层对于激光散射的影响，进一步突出了覆水情形对于路面激光散射分布的影响规律；

7、3.本发明在微米尺度范围内基于蒙特卡罗与光线追踪方法可以快速得到不同覆水状态下路面激光双向散射强度分布的计算结果，在追迹的过程中引入迭代控制因子，优化了光线路径判断过程，提升了计算效率。

8、4.本发明相较于传统方法计算覆水路面激光散射问题更为精确，节约了计算成本，提升了计算效率，并且在一定程度上拓宽了研究范围，可对干燥与覆水状态下较粗糙表面光散射规律研究提供一定的理论与参考。

技术特征：

1.一种基于几何光线追踪的覆水路面激光散射光强分布快速计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于几何光线追踪的覆水路面激光散射光强分布快速计算方法，其特征在于，步骤1利用亚毫米尺度高度计测量路面轮廓高度数据并统计表面参数的具体方法为：

3.根据权利要求1所述的基于几何光线追踪的覆水路面激光散射光强分布快速计算方法，其特征在于，步骤2基于分形结构的尺度分割方法生成光学尺度表面结构模型，其具体实现方法如下：

4.根据权利要求1所述的基于几何光线追踪的覆水路面激光散射光强分布快速计算方法，其特征在于，步骤3通过基于二维fung谱函数的功率谱滤波方法生成动态粗糙水面表面结构模型的具体方法为：

5.根据权利要求1所述的基于几何光线追踪的覆水路面激光散射光强分布快速计算方法，其特征在于，将光学尺度路面结构模型和动态粗糙面结构模型组合生成覆水路面的层状结构模型的具体方法为：

6.根据权利要求1所述的基于几何光线追踪的覆水路面激光散射光强分布快速计算方法，其特征在于，基于蒙特卡罗的几何光线追踪方法计算入射激光在覆水层与粗糙路面间方向与能量的变化的具体方法为：

技术总结
本发明公开了一种基于几何光线追踪的覆水路面激光散射光强分布快速计算方法，该方法包括以下步骤：利用亚毫米尺度路面轮廓测量结果设置计算参数；基于分形结构的尺度分割方法生成光学尺度表面结构模型；通过功率谱密度函数建立动态粗糙水面结构模型；将光学尺度路面结构模型和动态粗糙水面结构模型结合生成覆水路面的层状结构模型；基于蒙特卡罗的几何光线追踪方法计算入射激光在覆水层与粗糙路面间方向与能量的变化；利用数据上述计算，待达到迭代计算量值后，统计激光双向散射光强的空间分布。本发明基于实际测量得到的亚毫米尺度路面轮廓数据，计算结果更具有真实性，并将路面轮廓划分到微米尺度，在微米尺度范围内基于蒙特卡罗与光线追踪方法快速计算不同覆水状态下路面激光双向散射强度的空间分布，计算精度与效率均显著提高。

技术研发人员：来建成,张慧敏,严伟,吴志祥,李振华,王春勇
受保护的技术使用者：南京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23