一种远距离单光子雷达大视场高分辨率快速成像方法

本发明涉及激光雷达，更具体地涉及远距离单光子雷达大视场高分辨率快速成像方法。

背景技术：

1、激光成像雷达是目前应用最广的精确三维成像技术之一，其主要原理是发射激光脉冲到目标区域并接受回波，通过测量光子的飞行时间来得到目标与发射点之间的距离。激光雷达三维成像技术在无人驾驶、城市测绘建模、目标识别等领域都有着广泛的应用。越来越广泛的应用需求也推动单光子雷达在作用距离、成像分辨率以及成像视场上进一步提升。

2、目前现有技术方案中，远距离单光子雷达大视场高分辨率快速成像方法存在诸多技术问题：对于单光子激光雷达来说，在实现大视场成像的同时保持较高的横向分辨率较为困难；为了同时实现大视场以及高分辨率，需要使用到阵列探测器，但是目前可用的spad（single photon avalanche diode：单光子雪崩二极管）阵列探测器尺寸较小，无法满足大视场成像和高分辨率的需求；而使用多个阵列探测器进行拼接又会导致功耗增加以及成像系统尺寸过大的问题；而使用指向机构配合阵列探测器的技术方案也存在成像视场拓展能力不足，并不能有效实现全空域的大视场成像；此外，要实现高效的大视场成像，还需要考虑由于高分辨率所带来的大数据处理量的问题。

技术实现思路

1、鉴于上述问题，本发明提供了一种远距离单光子雷达大视场高分辨率快速成像方法，用于至少解决现有技术问题之一。

2、根据本发明的第一个方面，提供了一种远距离单光子雷达大视场高分辨率快速成像方法，包括：

3、基于二维双轴转台和阵列单光子探测器构建远距离单光子大视场扫描成像系统，并对远距离单光子大视场扫描成像系统进行配置；

4、利用远距离单光子大视场扫描成像系统通过设置二维双轴转台的运动模式控制阵列单光子探测器以光栅式连续扫描的方式对目标对象的全景像素点进行扫描，得到目标对象的大视场全景单光子探测数据；

5、对大视场全景单光子探测数据进行基于重采样的实时数据压缩处理进而完成对目标对象的图像恢复，得到目标对象的真实图像。

6、根据本发明的实施例，上述基于二维双轴转台和阵列单光子探测器构建远距离单光子大视场扫描成像系统包括：

7、利用二维双轴转台、所述阵列单光子探测器、激光器、发射天线、接收天线以及组合光谱滤波器构建所述远距离单光子大视场扫描成像系统。

8、根据本发明的实施例，上述对远距离单光子大视场扫描成像系统进行配置包括：

9、在远距离单光子大视场扫描成像系统的发射端选择具有预设大气透过率的激光器作为光源；

10、利用发射天线调节来自激光器的出射光束的发散角和方向；

11、采用具有预设工作波段的单光子阵列探测器作为远距离单光子大视场扫描成像系统的阵列单光子探测器；

12、通过组合光谱滤波器对太阳背景噪声进行抑制，利用接收天线收集目标对象漫反射回来的信号光子；

13、基于地平式结构设计并采用步进电机对二维双轴转台进行控制，并利用二维双轴转台对远距离单光子大视场扫描成像系统沿方位轴和俯仰轴进行扫描控制，其中方位轴和俯仰轴经过远距离单光子大视场扫描成像系统的光轴。

14、根据本发明的实施例，上述利用远距离单光子大视场扫描成像系统通过设置二维双轴转台的运动模式控制阵列单光子探测器以光栅式连续扫描的方式对目标对象的全景像素点进行扫描，得到目标对象的大视场全景单光子探测数据包括：

15、设置二维双轴转台的运动模式以便消除扫描过程中的图像畸变，并将目标对象在成像场景中同一区域定义为一个全景像素点；

16、基于二维双轴转台的运动模式控制阵列单光子探测器对目标对象的所有全景像素点进行光栅式连续扫描；

17、将目标对象的所有全景像素点在光栅式连续扫描过程所产生的全景扫描数据进行处理，得到大视场全景单光子探测数据。

18、根据本发明的实施例，上述设置二维双轴转台的运动模式包括：

19、将二维双轴转台设置光栅式扫描用于在扫描至行尾的情况下切换至下一行的初始位置继续扫描；

20、将二维双轴转台的扫描起止点设在待成像区域之外，并将待成像区域之外所获得的数据进行舍弃；

21、利用二维双轴转台在进行上下两行扫描区域之间设置扫描交叠区域以便数据处理阶段的图像拼接。

22、根据本发明的实施例，上述将目标对象的所有全景像素点在光栅式连续扫描过程所产生的全景扫描数据进行处理，得到大视场全景单光子探测数据包括：

23、针对光栅式连续扫描过程中同一行全景扫描数据，将阵列单光子探测器的不同阵列探测像元对目标对象的全景像素点进行探测所产生的回波信号进行收集，并基于光子的飞行时间进行直方图统计，得到单行大视场全景单光子探测数据；

24、针对光栅式连续扫描过程中多行全景扫描数据，基于归一化互相关方法，利用多行间的交叠区域对多行全景扫描数据进行数据拼接，得到多行大视场全景单光子探测数据。

25、根据本发明的实施例，上述针对光栅式连续扫描过程中多行全景扫描数据，基于归一化互相关方法，利用多行间的交叠区域对多行全景扫描数据进行数据拼接，得到多行大视场全景单光子探测数据包括：

26、对于上下两行之间的全景扫描数据，将上一行的单光子回波信号作为参考结果，下一行的单光子回波信号作为浮动结果；

27、利用归一化互相关方法，计算上下两行全景扫描数据之间的相关度，并基于相关度将位置相对应的全景扫描数据进行合并，得到多行大视场全景单光子探测数据。

28、根据本发明的实施例，上述对大视场全景单光子探测数据进行基于重采样的实时数据压缩处理进而完成对目标对象的图像恢复，得到目标对象的真实图像包括：

29、对大视场全景单光子探测数据进行空间维度和时间维度上的初步滤噪处理，得到滤噪后的大视场全景单光子探测数据；

30、通过设置不同的重采样周期并利用不同的重采样周期对滤噪后的大视场全景单光子探测数据重复进行的重采样操作和凸优化重构操作，得到目标对象在不同重采样周期下的目标图像；

31、对目标对象在不同重采样周期下的目标图像进行公倍数求解，得到目标对象的真实图像。

32、根据本发明的实施例，上述对大视场全景单光子探测数据进行空间维度和时间维度上的初步滤噪处理，得到滤噪后的大视场全景单光子探测数据包括：

33、对大视场全景单光子探测数据进行空间维度上的数据密度统计，得到大视场全景单光子探测数据的空间密度分布函数；

34、设置空间密度阈值，并将空间密度分布函数低于空间密度阈值所对应的数据位置进行置零操作；

35、对大视场全景单光子探测数据进行时间维度上的像素合并，得到时间密度分布函数；

36、设置时间密度阈值，确定时间密度分布函数低于时间密度阈值所对应的数据位置，并将与所确定的数据位置相对应的大视场全景单光子探测数据进行置零操作。

37、根据本发明的实施例，上述通过设置不同的重采样周期并利用不同的重采样周期对滤噪后的大视场全景单光子探测数据重复进行的重采样操作和凸优化重构操作，得到目标对象在不同重采样周期下的目标图像包括：

38、设置当前阶段的重采样周期，并利用当前阶段的重采样周期对滤噪后的大视场全景单光子探测数据进行重采样；

39、对重采样后的大视场全景单光子探测数据进行凸优化重构，并通过引入惩罚项对凸优化重构过程进行约束，得到当前阶段的目标对象的目标图像；

40、重复进行重采样周期设置操作、重采样操作以及凸优化重构操作，得到目标对象在不同重采样周期下的目标图像。

41、本发明提供的上述远距离单光子雷达大视场高分辨率快速成像方法，相较于现有技术中的激光雷达成像方法，由于采用了本发明全新设计和配置的远距离单光子大视场扫描成像系统，使得高精度二维双轴转台与阵列单光子探测器能够互相配合，从而使得本发明所提供的方法能够适配不同成像场景，具备大成像视场探测能力以及快速探测能力；同时，本发明所提供的光栅式连续扫描的方式在对同一行数据均匀扫描探测过程中对相关硬件设备指向精度要求较低，不同行之间的数据保留了一定的数据交叠区，提高了行与行之间的数据拼接质量，具备高质量探测能力；此外，本发明提供了大数据加速处理的方案，采用了凸优化重构算法，并使用了惩罚项对图像重构过程进行了控制，具备高质量图像重构能力，采用了数据压缩处理方法，降低了数据处理量，在保留高质量图像重构能力的同时，兼顾了图像处理速度。