[發明專利]一種面陣蓋革APD激光成像雷達圖像預處理方法

有效

• 申請號: 201711477383.1
• 申請日: 2017-12-29
• 公開（公告）號: CN108304781B
• 公開（公告）日: 2020-07-14
• 發明（設計）人: 張天序;桑紅石;涂直健;張培陽;李玉濤;盧家巧;姜鵬;付宏明
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G06K9/00
• 分類號: G06K9/00;G06T5/00;G06T7/136;G06T7/155
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 廖盈春;李智

本發明公開了一種面陣蓋革APD激光成像雷達圖像預處理方法，屬于激光雷達技術領域。本方法先采集目標面陣蓋革APD激光成像雷達單脈沖探測結果數據；之后累積多個單脈沖探測結果，使用自適應峰值判別法生成多脈沖累積激光強度像及距離像；再對多脈沖累積激光強度像及距離像進行自適應閾值分割，生成中間去噪激光強度像及距離像；最后對中間去噪激光距離像進行灰度形態學運算，得到信噪比較高的去噪后激光距離像，根據去噪后激光距離像得到去噪后激光強度像。本方法根據激光成像雷達數據特點，在目標回波信號較弱的情況下，可自適應處理激光數據，提高算法對于目標回波與噪聲的分辨能力，有效去除圖像中的距離反常噪聲，提升圖像信噪比。

技術領域

本發明屬于激光雷達技術領域，更具體地，涉及一種面陣蓋革APD激光成像雷達圖像預處理方法。

背景技術

蓋革APD陣列探測器是一種單光子探測器，能夠探測微弱的光信號，廣泛用于微光探測鄰域。采用蓋革APD陣列探測器的單光子計數激光三維成像系統因其靈敏度高、作用距離遠、成像速度快、易于系統小型化的特點，具有很大的發展潛力，是非掃描激光主動成像方案的熱點發展方向之一。目前，以國內自研的蓋革APD面陣探測器為核心器件的激光成像雷達，已能夠實現遠距離目標探測，具備實際應用的研究條件。

蓋革APD面陣探測器工作原理是：脈沖激光器發射的脈沖激光經發射鏡頭擴束后穿過大氣，照射對整個目標場景。一小部分脈沖能量由觸發雪崩光電二極管(Trigger APD)接收，由脈沖邊沿檢測器形成時間數字轉換器(TDC)電路的Start信號，用來觸發計時電路開始計時。其余脈沖激光經過目標表面反射，其回波信號由接收光學系統接收，進入雪崩光電二極管(APD)探測陣列。為了抑制大氣后向散射，減少背景噪聲，探測系統采用距離門(Range Gate)技術提高系統的探測性能。在脈沖激光的往返飛行過程中，距離門關閉，探測器不工作，從而拒絕了大氣后向散射與背景噪聲；經過一段延遲時間后，目標回波信號到達接收器，距離門開啟，探測器探測到激光回波信號的入射光子并觸發雪崩，產生的雪崩信號被探測，即對時間數字轉換器(TDC)電路輸出一個計時停止信號，獲得脈沖激光回波時刻，得到對應回波時刻的一次光子計數。

雖然蓋革APD陣列探測器能夠獲取高精度的距離信息，但蓋革APD陣列只能探測信號的有和無，得到當前脈沖飛行時間的一次光子計數，單次測量難以區分目標回波信號脈沖和噪聲脈沖。蓋革APD陣列探測器的噪聲主要來自背景噪聲及探測器本身所產生的暗計數噪聲，根據蓋革APD陣列探測器得到的激光數據，可以認為蓋革APD陣列探測器的噪聲都是均勻分布的，時間相關性差，而目標回波時間相關性好。

對目標進行探測時，蓋革APD陣列探測器生成的激光距離像不能得到完整的目標表面信息并帶有大量的噪聲，圖像信噪比低，也無法直接獲得強度信息。為獲取蓋革APD陣列激光雷達的距離像與強度像，蓋革模式APD陣列都工作于高重頻小能量激光發射方式，采用多脈沖累積探測的方式，統計多次測量數據得到光子計數統計直方圖，利用目標距離信息的相關性和直方圖中峰值點位置判斷目標距離信息，在背景噪聲和暗計數中將真實的距離數據提取出來。并利用光子計數表征為目標的強度信息。對于激光脈沖寬度大于計時時鐘分辨率的寬脈沖累積探測蓋革APD雷達來說，目標回波信號會分布在多個連續的時間片區間內，在此區間內的任意時刻，都可能產生一次光子計數。因此，寬脈沖累積探測只有在達到一定的累積數的前提下，才能使目標回波信號實現疊加增強。當累積探測次數較少，目標回波信號弱的情況下，目標回波依舊會淹沒在噪聲中。在已發表的文獻中，普遍采用質心算法和峰值判別法來獲取目標的距離信息，兩種方法都會統計多次寬脈沖累積探測的測量數據得到光子計數統計直方圖，質心算法通過計算信號回波區間的質心位置得到目標距離信息，峰值判別法通過直方圖中峰值點位置得到目標距離信息。但當寬脈沖累積探測的累計數較少時，目標回波分布區間內只有少數分散的探測結果，在噪聲的干擾下，以上兩種算法都不能有效的獲得目標距離信息，得到目標的激光圖像。而多脈沖累積的方式也會保留大量的背景噪聲，并在圖像中無法得到準確距離信息的目標點處形成距離反常噪點，生成的激光距離像與強度像信噪比較低，很難用于之后的研究工作。

發明內容