一种面阵盖革APD激光成像雷达图像预处理方法技术

本发明专利技术公开了一种面阵盖革APD激光成像雷达图像预处理方法，属于激光雷达技术领域。本方法先采集目标面阵盖革APD激光成像雷达单脉冲探测结果数据；之后累积多个单脉冲探测结果，使用自适应峰值判别法生成多脉冲累积激光强度像及距离像；再对多脉冲累积激光强度像及距离像进行自适应阈值分割，生成中间去噪激光强度像及距离像；最后对中间去噪激光距离像进行灰度形态学运算，得到信噪比较高的去噪后激光距离像，根据去噪后激光距离像得到去噪后激光强度像。本方法根据激光成像雷达数据特点，在目标回波信号较弱的情况下，可自适应处理激光数据，提高算法对于目标回波与噪声的分辨能力，有效去除图像中的距离反常噪声，提升图像信噪比。

Image pre-processing method for planar array Geiger APD laser imaging radar

The invention discloses an image pre-processing method of a planar array Geiger APD laser imaging radar, which belongs to the technical field of laser radar. This method first collects the data of the single pulse detection results of the target array Geiger APD laser imaging radar, and then accumulates multiple monopulse detection results. The adaptive peak discrimination method is used to generate the multi pulse cumulative laser intensity image and distance image, and then the multi pulse cumulative laser intensity image and the distance image are segmented by adaptive threshold segmentation. The laser intensity image and the distance image are de-noised. Finally, the distance image of the intermediate de-noised laser distance is performed to obtain the laser distance image with high noise and noise, and the laser intensity image after de-noising is obtained according to the laser distance image after the denoising. According to the characteristics of the laser imaging radar data, the method can process the laser data adaptively when the target echo signal is weak. The algorithm can improve the resolution of the target echo and noise, effectively remove the distance abnormal noise in the image, and improve the image SNR.

【技术实现步骤摘要】
一种面阵盖革APD激光成像雷达图像预处理方法
本专利技术属于激光雷达
，更具体地，涉及一种面阵盖革APD激光成像雷达图像预处理方法。
技术介绍
盖革APD阵列探测器是一种单光子探测器，能够探测微弱的光信号，广泛用于微光探测邻域。采用盖革APD阵列探测器的单光子计数激光三维成像系统因其灵敏度高、作用距离远、成像速度快、易于系统小型化的特点，具有很大的发展潜力，是非扫描激光主动成像方案的热点发展方向之一。目前，以国内自研的盖革APD面阵探测器为核心器件的激光成像雷达，已能够实现远距离目标探测，具备实际应用的研究条件。盖革APD面阵探测器工作原理是：脉冲激光器发射的脉冲激光经发射镜头扩束后穿过大气，照射对整个目标场景。一小部分脉冲能量由触发雪崩光电二极管(TriggerAPD)接收，由脉冲边沿检测器形成时间数字转换器(TDC)电路的Start信号，用来触发计时电路开始计时。其余脉冲激光经过目标表面反射，其回波信号由接收光学系统接收，进入雪崩光电二极管(APD)探测阵列。为了抑制大气后向散射，减少背景噪声，探测系统采用距离门(RangeGate)技术提高系统的探测性能。在脉冲激光的往返飞行过程中，距离门关闭，探测器不工作，从而拒绝了大气后向散射与背景噪声；经过一段延迟时间后，目标回波信号到达接收器，距离门开启，探测器探测到激光回波信号的入射光子并触发雪崩，产生的雪崩信号被探测，即对时间数字转换器(TDC)电路输出一个计时停止信号，获得脉冲激光回波时刻，得到对应回波时刻的一次光子计数。虽然盖革APD阵列探测器能够获取高精度的距离信息，但盖革APD阵列只能探测信号的有和无，得到当前脉冲飞行时间的一次光子计数，单次测量难以区分目标回波信号脉冲和噪声脉冲。盖革APD阵列探测器的噪声主要来自背景噪声及探测器本身所产生的暗计数噪声，根据盖革APD阵列探测器得到的激光数据，可以认为盖革APD阵列探测器的噪声都是均匀分布的，时间相关性差，而目标回波时间相关性好。对目标进行探测时，盖革APD阵列探测器生成的激光距离像不能得到完整的目标表面信息并带有大量的噪声，图像信噪比低，也无法直接获得强度信息。为获取盖革APD阵列激光雷达的距离像与强度像，盖革模式APD阵列都工作于高重频小能量激光发射方式，采用多脉冲累积探测的方式，统计多次测量数据得到光子计数统计直方图，利用目标距离信息的相关性和直方图中峰值点位置判断目标距离信息，在背景噪声和暗计数中将真实的距离数据提取出来。并利用光子计数表征为目标的强度信息。对于激光脉冲宽度大于计时时钟分辨率的宽脉冲累积探测盖革APD雷达来说，目标回波信号会分布在多个连续的时间片区间内，在此区间内的任意时刻，都可能产生一次光子计数。因此，宽脉冲累积探测只有在达到一定的累积数的前提下，才能使目标回波信号实现叠加增强。当累积探测次数较少，目标回波信号弱的情况下，目标回波依旧会淹没在噪声中。在已发表的文献中，普遍采用质心算法和峰值判别法来获取目标的距离信息，两种方法都会统计多次宽脉冲累积探测的测量数据得到光子计数统计直方图，质心算法通过计算信号回波区间的质心位置得到目标距离信息，峰值判别法通过直方图中峰值点位置得到目标距离信息。但当宽脉冲累积探测的累计数较少时，目标回波分布区间内只有少数分散的探测结果，在噪声的干扰下，以上两种算法都不能有效的获得目标距离信息，得到目标的激光图像。而多脉冲累积的方式也会保留大量的背景噪声，并在图像中无法得到准确距离信息的目标点处形成距离反常噪点，生成的激光距离像与强度像信噪比较低，很难用于之后的研究工作。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种面阵盖革APD激光成像雷达图像预处理方法，在目标激光雷达回波较弱的情况下，从噪声中提取盖革APD阵列探测器得到的目标回波信号，有效去除图像中的噪声，获得较为完整的目标表面信息，提升图像信噪比。为实现上述目的，本专利技术提供了一种面阵盖革APD激光成像雷达图像预处理方法，所述方法包括：(1)采集目标面阵盖革APD激光成像雷达的单脉冲探测结果数据；所述面阵盖革APD激光成像雷达脉冲宽度大于其计时时钟分辨率；(2)累积T个单脉冲探测结果数据，对其使用自适应峰值判别法生成多脉冲激光强度像及距离像；T为预设值；T的取值范围为20<T<60，优选T＝40；所述步骤(2)具体包括：(21)提取T个单脉冲探测结果数据中的T个单脉冲激光距离像；(22)从T个单脉冲激光距离像的同一像素位置提取得到T个探测结果，由T个探测结果生成各像素探测结果直方图；直方图横坐标为回波时间计数值，纵坐标为光子累计数；若该像素位置T次探测都没有结果，则多脉冲激光距离像该像素灰度值为Max，多脉冲激光强度像该像素灰度值为0；Max等于激光成像雷达距离门宽度对应的回波时间计数值；(23)若直方图中只有一个峰值时，则进入步骤(24)；否则进入步骤(25)；所述峰值为光子累计数最大处对应的回波时间计数值；(24)将直方图中峰值位置的回波时间计数值作为多脉冲激光距离像对应像素的灰度值，峰值包络范围内光子累计数之和作为多脉冲激光强度像对应像素的灰度值，进入步骤(26)；所述包络范围为预设值，包络范围取值范围为0～6；优选值为6；(25)将探测结果直方图中各波峰包络范围内光子累计数相加作为波峰新的光子累计数，由各波峰的新的光子累计数更新直方图，新直方图峰值位置的回波时间计数值作为多脉冲激光距离像对应像素的灰度值，峰值位置的光子累计数作为多脉冲激光强度像对应像素的灰度值；(26)重复步骤(22)～(25)，直到处理完所有像素位置，合成多脉冲激光强度像及距离像。(3)对多脉冲激光强度像及距离像进行自适应阈值分割，生成中间去噪激光强度像及距离像；所述步骤(3)具体包括：(31)设置搜索灰度值I，并赋初值I＝2；(32)找出多脉冲激光强度像灰度值为I的像素点，及其在多脉冲激光距离像中对应位置的像素点，记为J；(33)对比J的8邻域内像素点的灰度值和J的灰度值，统计灰度值之差小于灰度差阈值的像素点个数P，若P不小于3，则像素点为目标点，否则像素点为噪声点，目标点的个数记为ni；灰度差阈值为预设值；灰度差阈值取值范围为0～100，优选50；(34)遍历多脉冲激光强度像中所有像素点，重复步骤(32)～(33)，得到目标点总数N，N＝n2+……+ni；(35)若N>X，则分割阈值I1＝I，进入步骤(36)；否则I＝I+1，返回步骤(32)；所述X为设定阈值；X的取值范围为0～10，优选X＝3；(36)利用分割阈值I1对多脉冲激光强度像及距离像进行阈值分割，得到中间去噪激光强度像和中间去噪激光距离像。(4)对中间去噪激光距离像进行灰度形态学运算，得到信噪比较高的去噪后激光距离像，根据去噪后激光距离像得到去噪后激光强度像；所述步骤(4)具体包括：(41)由目标大小及其几何信息确定形态学结构元素；(42)利用形态学结构元素对中间去噪激光距离像进行一次灰度形态学开运算；(43)对开运算后得到的中间去噪激光距离像进行一次灰度形态学闭运算，生成去噪后激光距离像；(44)由去噪后激光距离像得到去噪后激光强度像。进一步地，所述步骤(36)具体为：利本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种面阵盖革APD激光成像雷达图像预处理方法，其特征在于，所述方法包括：(1)采集目标面阵盖革APD激光成像雷达的单脉冲探测结果数据；(2)累积T个单脉冲探测结果数据，对其使用自适应峰值判别法生成多脉冲激光强度像及距离像；T为预设值；(3)对多脉冲激光强度像及距离像进行自适应阈值分割，生成中间去噪激光强度像及距离像；(4)对中间去噪激光距离像进行灰度形态学运算，得到信噪比较高的去噪后激光距离像，根据去噪后激光距离像得到去噪后激光强度像。

【技术特征摘要】
1.一种面阵盖革APD激光成像雷达图像预处理方法，其特征在于，所述方法包括：(1)采集目标面阵盖革APD激光成像雷达的单脉冲探测结果数据；(2)累积T个单脉冲探测结果数据，对其使用自适应峰值判别法生成多脉冲激光强度像及距离像；T为预设值；(3)对多脉冲激光强度像及距离像进行自适应阈值分割，生成中间去噪激光强度像及距离像；(4)对中间去噪激光距离像进行灰度形态学运算，得到信噪比较高的去噪后激光距离像，根据去噪后激光距离像得到去噪后激光强度像。2.根据权利要求1所述的一种面阵盖革APD激光成像雷达图像预处理方法，其特征在于，所述面阵盖革APD激光成像雷达脉冲宽度大于其计时时钟分辨率。3.根据权利要求1所述的一种面阵盖革APD激光成像雷达图像预处理方法，其特征在于，所述步骤(2)具体包括：(21)提取T个单脉冲探测结果数据中的T个单脉冲激光距离像；(22)从T个单脉冲激光距离像的同一像素位置提取得到T个探测结果，由T个探测结果生成各像素探测结果直方图；直方图横坐标为回波时间计数值，纵坐标为光子累计数；若该像素位置T次探测都没有探测结果，则多脉冲激光距离像该像素灰度值为Max，多脉冲激光强度像该像素灰度值为0；Max等于激光成像雷达距离门宽度对应的回波时间计数值；(23)若直方图中只有一个峰值时，则进入步骤(24)；否则进入步骤(25)；所述峰值为光子累计数最大处对应的回波时间计数值；(24)将直方图中峰值位置的回波时间计数值作为多脉冲激光距离像对应像素的灰度值，峰值包络范围内光子累计数之和作为多脉冲激光强度像对应像素的灰度值，进入步骤(26)；所述包络范围为预设值；(25)将探测结果直方图中各波峰包络范围内光子累计数相加作为波峰新的光子累计数，由各波峰的新的光子累计数更新直方图，新直方图峰值位置的回波时间计数值作为多脉冲激光距离像对应像素的灰度值，峰值位置的光子累计数作为多脉冲激光强度像对应像素的灰度值；(26)重复步骤(22)～(25)，直到处理完所有像素位置，合成多脉冲激光强度像及距离像。4.根据权利要求1所述的一种面阵盖革APD激光成像雷达图像预处理方法，其特征在于，所述步骤(3...

【专利技术属性】
技术研发人员：张天序，桑红石，涂直健，张培阳，李玉涛，卢家巧，姜鹏，付宏明，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42