反射层析激光雷达双折线反投影成像方法技术

一种反射层析激光雷达双折线反投影成像方法，实质是将反投影波阵面近似为双折线的方法，将激光雷达探测器所接收到的球面反射投影信号反投影到所对应的双折线上，通过这些双折线信号重建图像。本发明专利技术方法与球面直接反投影相比，双折线反投影算法计算量小，操作简单，易于实现。模拟仿真表明本发明专利技术方法可以替代球面反投影完成相应质量要求的图像重建。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及反射层析激光雷达，特别是一种反射层析激光雷达双折线反投影成 像方法，通过把反投影波面近似为双折线，将所测得的球面反射投影信号反投影到 对应的双折线上，用双折线反投影信号完成相应距离和质量要求的图像重建。
技术介绍
在医学计算机辅助层析(简称为CT)中，根据一维透射投影信息实现两维图像 重建已经得到广泛的应用和发展。所得到的一维透射投影信息反应的是在多个不同 角度下，物体内部不同部位透射系数的差异。反投影成像的内容为重建图像某一点 的光强密度值可看作这一平面内所有经过该点的射线投影值之和。如图l透射层析所示，/(x,力为代建图像，丄^为对应的直线^xcos^ + ysin^，P0"一)为/0,力沿直线丄^的透射特征系数的积分，即角度^所对应的一维透射投 影/"力A (1) 用反投影成像方法重建图像g(x,:v)，贝(Lg(X力=￡ P" cos《+ y sin《.A) A-'=i (2)其中，^为第z'次投影所对应的角度，A^为投影角度采样间隔，w为总的投影 个数。CT反投影成像把取自有限物体空间的射线均匀地反投影到射线所及的无限空 间的各点之上，使原先像素数值为零的点经反投影之后不再为零，产生星状伪迹。 为了减少重建图像星状伪迹，引入了滤波反投影算法，对获得的投影进行适度的调 整，调整之后的投影数据为-《(r^)-i^(IA:l巧Cp(r^))) (3)其中，符号尸i、 i^分别表示一维的傅里叶变换与傅里叶反变换，"为空间变量， A:为频率变量，则经过滤波反投影重建图像g^(义，力表达式如下<formula>formula see original document page 5</formula>反射层析(基于距离)类似于上述CT滤波反投影重建图像的操作过程，其实质 是将到源点某一距离的有限表面区域反射所得的投影信息，反投影到隔源点相同距 离的所有区域，如图2反射层析激光雷达所示。所不同的是CT依据的透射特征系数， 只需要0-;r的透射投影信息，而反射层析依据的是反射特征系数，需要O-2;r的反 射投影信息。随着激光的出现和发展，Charles L. Matson (参见文献R. M. Marino, R. N. Capes， W. E. Keicher et al… Tomographic image reconstruction from laser radar reflective projections ， SPIE Laser Radar 111,1988， Vol. 999:248—263)， Parker. J. K.(参见文献Jeffrey K. Parker, E.B.Craig, D.I. Klick et al.. Reflective tomography:image from range resolved laser radar raearsurements, Applied Optics, 1988'27 (13) : 2642—2643) ， F. K. Knight (参 见文献Frederick L Knight, David Klick， Danette P. Ryan-Howaxd et al. . Laser radar reflective tomography utilizing a steak camera for precise range resolution . Applied Optics, 1989, 28(12) :2196—2198)等很快的将反射层析 算法引入到激光雷达中。根据激光短脉冲探测和非相干接收器得到基于距离的一维 反射投影信息，激光雷达系统可以实现二维图像重建，具有很高的分辨率。当波阵 面发生弯曲时，如图3反射层析激光雷达所示，直接的球面反投影滤波方式计算量 大，需要的处理时间长。引入双折线的处理方法，在一定距离下，可以减少计算量, 实现图像的重建。
技术实现思路
本专利技术的目的在于为反射层析激光成像雷达提供一种反射层析激光雷达双折线 反投影成像方法，该方法的原理可靠，结构简单，易于实现。本专利技术的具体技术解决方案如下一种，其特点是包括以下步骤 ①由探测物体的目标尺寸X皿、以探测器和光脉冲二者中较低的分辨率作为系 统的距离分辨率M、激光脉冲宽度r三个因素，根据奈奎斯特采样定律计算满足物 体完全重建所需要的最小投影角度采样间隔A^和单个投影最少采样点数iVp:A , 360 180A/ ② 激光器发出光脉冲，用会聚透镜使光脉冲会聚后再次发散，通过调节透镜的 焦距来改变光斑的大小，使到达探测目标的光斑外轮廓涵盖整个探测目标，获得需要光束最小发散角"^arcsinO,/2丄)，也就是所对应的双折线反投影的角度，其中 L是激光器与待测目标之间的距离根据激光器发出光脉冲的时刻、，最早接收到反射 信息的时刻^，最晚接收到反射信息的时刻,3，探测器到待测目标的距离丄为铜),2一"，其中c为光速； 2③ 将初始待测目标所对应的角度定义为^ = 0° ，激光器发出单脉冲照射到待测 目标上，探测器记录在角度^=0°下所对应的经过目标反射加宽后的反射投影信 息，即探测器所得到的光功率随时间的变化信息反映的是物体表面反射特征系数随物体深度的变化信息其中，/。(x,力为物体表面的反射特征系数，e代表到达物体表面的均匀光强， 户。"A)为角度A下获得的反射投影信息，^为物体表面积分面元；④ 待测目标旋转角度A^后，探测角度变为《=^ +厶6激光器再次发出单个脉冲，探测器记录相应的反射投影信息A(f,A);⑤ 判断投影角度4是否大于36(r,若小于36(T，重复步骤④(i一l)次操作，待 测物体旋转込^， i为2以上的正整数，相应记录反射投影信息A"《)，直至《大于360。；⑥ 滤波处理利用公式r-"， C为光速，将所得到的随时间变化的投影信息 A《,《)，转换成随距离变化的投影信息，对每个角度获得投影信息进行滤波处理，减少重建图像中的伪迹，具体滤波公式为^.(rW.hi^dwl^O^r,^))),其中"为频域变量，符号《、巧—i分别表示信号一维傅里叶变换和傅里叶反变换；⑦ 建立重建图像矩阵g^(x,力，其像元坐标间隔为所对应的系统距离分辨率6A/ ，为获得完整的目标重建图像，图像矩阵g^(x，力行数、列数要大于，并将矩阵所有像元初始值设为零；⑧ 取图像矩阵g^(x，力第 一个像元所对应的点坐标(X，力)，按照角度砍(/ = 0， 1,2…进行旋转，旋转之后的新坐标变为x; = x！ cos(《.)+ 乂 sin(《),乂 = —& sin(《)+ k cos(《.)判断新坐标点Ocp乂)到角度《、^所对应的双折线的距离是否满足小于或等于 像素间隔A/ 的V^/2倍，若满足以上条件，则图像矩阵元g刚(x"乂)累加上反射投 影值《,化.，A)A0 ，直至像元点坐标(^1,;;1)完成所有旋转角度^(/ = 0,1，2 7^)和距离 r(^0,l，2…Ag的计算。具体重建公式如下新坐标点(x;,力)到角度《、。所对应的双折线的距离" ^ I _x' sin a+1 _y' I (1 - co本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种反射层析激光雷达双折线反投影成像方法，其特征在于包括以下步骤：　①由探测物体的目标尺寸ｘ↓［ｍａｘ］、以探测器和光脉冲二者中较低的分辨率作为系统的距离分辨率ΔＲ、激光脉冲宽度τ三个因素，根据奈奎斯特采样定律计算满足物体完全重建所需 要的最小投影角度采样间隔Δφ和单个投影最少采样点数Ｎ↓［ｐ］：　Δφ≤３６０／Ｎ↓［ψ］＝１８０ΔＲ／πｘ↓［ｍａｘ］　Ｎ↓［Ｐ］≥２ｘ↓［ｍａｘ］ｕ↓［ｍａｘ］＝２ｘ↓［ｍａｘ］／ΔＲ；　②激光器（１）发出光脉冲，用会聚 透镜（２）使光脉冲会聚后再次发散，通过调节透镜的焦距来改变光斑的大小，使到达探测目标（３）的光斑外轮廓涵盖整个探测目标，获得需要光束最小发散角α＝ａｒｃｓｉｎ（ｘ↓［ｍａｘ］／２Ｌ），也就是所对应的双折线反投影的角度，其中Ｌ是激光器与待测目标（３）之间的距离根据激光器发出光脉冲的时刻ｔ↓［１］，最早接收到反射信息的时刻ｔ↓［２］，最晚接收到反射信息的时刻ｔ↓［３］，探测器（６）到待测目标（３）的距离Ｌ为ｃ［（ｔ↓［２］＋ｔ↓［３］）／２－ｔ↓［１］］／２，其中ｃ为光速；　 　③将初始待测目标所对应的角度定义为φ↓［０］＝０°，激光器（１）发出单脉冲照射到待测目标（３）上，探测器（６）记录在角度φ↓［０］＝０°下所对应的经过目标反射加宽后的反射投影信息，即探测器所得到的光功率随时间的变化信息反映的是物体表面反射特征系数随物体深度的变化信息：　ｐ↓［０］（ｔ，φ↓［０］）＝ｅ∫ｆ↓［０］（ｘ，ｙ）ｄｓ　其中，ｆ↓［０］（ｘ，ｙ）为物体表面的反射特征系数，ｅ代表到达物体表面的均匀光强，ｐ↓［０］（ｔ，φ↓［０］）为角度φ↓［０］下获得的反 射投影信息，ｄｓ为物体表面积分面元；　④待测目标（３）发生旋转角度Δφ后，探测角度变为φ↓［１］＝φ↓［０］＋Δφ，激光器（１）再次发出单个脉冲，探测器（６）记录相应的反射投影信息ｐ↓［１］（ｔ，φ↓［１］）；　⑤判断投影角度φ ↓［１］是否大于３６０°，若小于３６０°，重复步骤④ｉ－１次操作，待测物体旋转ｉΔφ，ｉ为２以上的正整数，相应记录反射投影信息ｐ↓［ｉ］（ｔ，φ↓［ｉ］），直至φ↓［ｉ］大于３６０°；　⑥滤波处理：利用公式ｒ＝ｃｔ，ｃ为光速，将所得到 的随时间变化的投影信息ｐ↓［ｉ］（ｔ，φ↓［ｉ］），转换成随距离变化的投影信息，对每个角度获得投影信息进行滤波处理，减少重建图...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：金晓峰，刘立人，孙建锋，周煜，吴亚鹏，严毅，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]