[發明專利]一種用于運動目標三維成像的激光探測系統及成像方法

在審

• 申請號: 201510633477.8
• 申請日: 2015-09-29
• 公開（公告）號: CN105204032A
• 公開（公告）日: 2015-12-30
• 發明（設計）人: 范有臣;孫華燕;郭惠超;都林;樊桂花;李迎春;楊三民;趙延仲;張樹才
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍裝備學院
• 主分類號: G01S17/89
• 分類號: G01S17/89
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 王瓊

技術領域

本發明屬于激光成像探測技術領域，涉及一種用于運動目標三維成像的激光探測系統及成像方法。

背景技術

三維成像是判別物體姿態，識別真假目標的有效手段。在距離選通激光主動成像時，對于靜止目標而言，可以通過對目標切片成像，獲得不同選通距離的目標圖像，進而通過算法獲得目標的三維圖像。而對于運動目標而言，在切片成像的同時，目標的空間位置會發生變化，因此需要對不同選通距離的目標圖像進行配準，使目標的空間位置基本對齊，而后才能獲得目標的三維圖像。

其中兩項關鍵技術就是激光圖像配準和三維重構算法。由于激光圖像存在噪聲大，紋理信息不豐富，加上大氣湍流造成的灰度的不規則變化，不同切片圖像之間明暗變化大，因此特征的提取有一定的困難，很難提取出有效的特征點，因此很難采用點配準的方式。互信息配準算法不需要對原始圖像做過多的圖像預處理，不需要進行特征提取，只要根據基準圖像和待配準圖像對應像素的統計值計算相似性函數，進而獲得最優配準結果。另外，在圖像配準過程中，基準圖像的選取對于配準能否成功有著至關重要的作用，尤其是對運動目標進行切片成像的過程中，圖像質量起伏很大，并不是每一幅圖像都可以作為基準圖像，所以必須選擇成像質量好的圖像作為基準圖像，進而對圖像進行校準。獲得目標的二維強度切片圖像后，既可通過二維圖像求取目標的距離信息，進而合成三維圖像，常用的算法有二值化和質心算法，他們的本質都是通過切片圖像間的幀間關系和灰度信息獲得對應的距離信息。二值化算法對閾值的選取有很大的依賴性，閾值合適與否直接關系到目標的分割提取，在噪聲較大或圖像目標不明顯時，造成三維圖像難以反映實際結構特征。質心算法中假設每個像素值都有一個灰度峰值對應，但是在實際成像中，每個像素的灰度值與距離值并不能一一對應，灰度值出現平頂現象，另外由于噪聲及大氣等影響，灰度值可能會出現多個峰值的現象，最大灰度值與多個切片成像時刻對應，因此無法采用質心法推算出距離值。按照質心法原理分析，采用質心法三維重構時需要至少3幅切片圖像，其三維重構精度隨著圖像數量的減少不斷降低。

下述的文獻涉及到了基于距離選通三維成像的激光主動成像技術應用：

(1)基于距離選通激光成像的實驗研究(2010年哈爾濱工業大學碩士論文)。

文中主要介紹了距離選通門控切片激光成像實驗和增益調制激光成像實驗，并對實驗數據分別采用質心法和二值化法進行處理合成3D像；分析了距離選通門控切片激光成像和增益調制激光成像的成像距離精度，門控切片成像在700m處的距離精度可以達到lm；增益調制激光成像在60m的距離精度好于lm。通過實驗對兩種成像方式進行了分析，距離選通門控切片成像適用于遠距離成像，增益調制激光成像方式適用于近距離成像。

(2)雙通道動態三維成像激光雷達的系統研究(2011年浙江大學碩士論文)

由于受限于成像激光雷達的測量原理，單通道成像系統測量時要求成像系統相對于場景保持靜止，文中提出了雙通道動態成像激光雷達的整體方案設計。經過像素級配準后的雙通道成像系統克服了單通道只能靜止拍攝的缺點，可以兩個通道同時對目標場景拍攝，獲取在恒定增益和線性增益調制下的灰度圖像，進而計算得到距離圖，獲得目標的三維圖像。

(3)距離選通激光成像系統三維重構方法研究(2013哈爾濱工業大學碩士論文)。

文中設計了距離選通成像系統三維重構的實驗方案，門控切片技術選擇高MCP門寬進行成像，在同一切片中包含了目標的所有信息，目標在不同切片中處于不同的成像回波強度分布，然后利用質心算法完成了目標的距離信息還原，完成了對近距離石膏人像和遠距離建筑物的距離選通成像實驗。

以上文獻涉及距離選通激光主動三維成像，文獻1是采用常規的質心法和二值化法，文獻2采用2套成像系統，增加了系統的復雜性，文獻3改進了門控切片技術，依然采用質心法進行三維重構。

發明內容

本發明的技術解決問題是：針對現有技術的不足，提供了一種用于運動目標三維成像的激光探測系統及成像方法，降低運動目標激光三維成像難度，提高三維成像精度。

本發明的技術解決方案：

一種用于運動目標三維成像的激光探測系統包括：激光發射模塊、激光接收模塊、ICCD成像陣列、激光測距模塊、同步控制模塊；

激光發射模塊發射激光信號，經大氣傳輸和目標反射后到達激光接收模塊；

激光接收模塊將接收到的激光信號在ICCD成像陣列上進行成像，形成目標切片圖像；

激光測距模塊測量目標距離，并將該距離信息傳送至同步控制模塊，用以同步激光發射模塊和ICCD成像；