CN101839981B - 激光成像回波波形和层次特征获取方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光成像回波波形和层次特征获取方法及装置，采用激光成像装置向目标发射激光脉冲，利用该装置的多回波时延测量单元和最大不失真波形采集单元，分别提取同一发射脉冲多个回波的时延数据和全波形数据。利用全波形数据提取回波脉冲展宽特征、功率特征、波形分布特征等作为目标特征存入回波脉冲数据库。利用多回波时延数据生成目标多层次点云图像，并利用回波功率特征生成目标灰度图像。本发明充分利用了回波脉冲所包含的时延、峰值功率和波形信息，不仅得到了目标的常规点云图像，还实现了目标多层次成像和目标灰度成像，并生成了波形特征数据库，达到了激光成像回波波形和层次特征获取的目的。

Description

激光成像回波波形和层次特征获取方法及装置

技术领域

本发明涉及激光成像领域，特别是关于一种激光成像回波波形和层次特征获取方法及装置。

背景技术

随着激光技术、激光接收技术的进步，随着社会各领域对高精度探测需求的日益增长，激光成像技术正越来越受到人们的广泛关注。特别是近年来其在遥感、测绘、大气观测、资源调查等领域的逐步应用，更推动了成像技术不断向前发展。

利用高亮度、高方向性和高相干性的激光对目标进行探测而直接成像技术，可以构成机载、星载和陆基激光成像系统。利用激光主动探测，可以对目标进行测距，获取目标高分辨距离数据。结合平台姿态数据，如机载平台的全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)可以直接得到目标的三维影像信息，而且其图像和三维坐标是完全匹配的，无需另外的地面控制点，进一步，还可以达到对目标的三维识别和分类，实现高分辨率、高效、准确、主动、直接对地三维成像。激光成像作为一种主动探测成像方式较少受环境、气候、目标光照和对比度的影响，可以全天候工作，特别适合于工程应用和军事观察。

激光成像的基本原理是向目标发射窄激光束脉冲，然后探测该目标上的被照射点的激光回波，通过测量回波脉冲时延对目标被照射点测距，利用距离数据生成目标的点云图像。目前常见的激光成像系统，如扫描式激光成像系统和推帚式激光成像系统都是基于上述原理工作的。然而，根据激光成像原理，激光回波脉冲是激光发射脉冲被目标调制的结果。回波脉冲之中蕴含了目标的各种特征信息，如回波时延反映了目标的距离信息、回波功率反映了目标的反射率信息、回波波形分布反映了目标的结构信息。因而，现有的激光成像技术将一个光斑视为一个像素，把利用光斑内目标回波时延信息测量得到的距离值作为光斑内目标的距离平均值，光斑内目标的分布和起伏信息并不能提取，不能实现激光成像的超分辨分析。且当前的激光成像系统多采用脉冲触发模式，发射脉冲时开始计数，目标回波脉冲到达探测系统时停止计数，因此这种方式往往只能探测同一发射脉冲的首回波，当目标存在一定遮挡、分层，如树林、草丛等情况，只能成出目标遮挡物或分层目标的外层，激光对目标的穿透能力没有得到充分的利用。同时，目前的激光成像系统为了达到更好的处理效果往往为系统加装可见光成像或高光谱成像设备，以期利用激光成像数据与可见或高光谱成像数据融合，实现对目标信息的提取。然而，这不但增加了系统的复杂度和各分系统协同控制难度，而且激光成像数据与可见或高光谱图像之间存在着成像区域、图像分辨率和数据格式的不同，这都增加了数据融合处理的工作量和工作难度，而目标的灰度图像同样反映了目标的二维结构信息，且与激光点云图像存在一一对应关系，其每一像素的灰度值直接反映了目标各点对激光的反射率。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术和系统的不足，提供一种激光成像回波波形和层次特征获取方法，解决现有技术和系统激光回波信息量获取较少，回波信息获取能力不足的问题，实现激光目标的多层次成像、灰度成像、和波形特征提取。本发明提供的激光成像回波波形和层次特征获取方法主要包括以下步骤：

a、利用激光器发射激光脉冲，通过发射脉冲阈值探测产生计数脉冲，驱动多回波时延测量单元开始计数和最大不失真波形采集单元开始波形采集。

b、将激光回波脉冲放大后同时送入多回波时延测量单元和最大不失真波形采集单元，分别对目标回波进行多回波时延测量和目标回波全波形的实时采集。

c、利用多回波时延数据得到目标多层次距离特征数据并成出目标点云图像。

d.利用回波功率特征提取算法从回波脉冲波形数据提取回波功率特征，利用回波波形分布特征提取算法提取波形展宽、变形及波形分布特征，并生成目标灰度图像和波形特征数据。

其中，本发明的多回波时延测量是利用激光脉冲经具有多个层次目标反射后，回波将分裂为多个子回波，对每个子回波的时延信息进行测量，可实现目标的多层次成像。本发明的灰度图像是将全波形数据提取得到的回波功率数据、以及系统平台数据综合生成的。

本发明的另一目的在于提供一种实现上述方法的激光成像回波波形和层次特征获取装置。为此，提供一种激光成像回波波形和层次特征获取装置，由脉冲激光器、发射光学系统、接收光学系统、探测器及最大不失真放大电路、多回波时延测量单元、最大不失真全波形采集单元和数据处理模块组成。激光脉冲经探测器和最大不失真放大电路后分别进入多回波时延测量单元和最大不失真全波形采集单元，并独立完成多回波时延数据采集和全波形数据采集。多回波时延测量单元和最大不失真全波形采集单元的计数脉冲由激光发射脉冲在发射光学系统分光后经光纤耦合到发射脉冲探测器进行阈值探测产生。

其中，多回波时延测量单元由可对多次触发进行计数的计数测量电路组成，其可在每次回波脉冲触发后记录时延数据，同时继续计数，等待下一脉冲到达，直到主波脉冲对此单元再次触发，则对计数清零并重新开始计数。最大不失真全波形采集单元由超高速超宽带数据采样电路组成，其可在主波计数脉冲触发下对回波波形进行实时采样，最大限度保持回波波形，直到下一主波计数脉冲出发后，采样电路清零并开始重新采样。

本发明的优点

综上所述，本发明的优点在于：

a、突破了现有激光成像系统只能探测首回波脉冲的局限，得到了目标多层次点云特征数据，可实现对遮蔽或分层目标进行成像。

b、充分利用目标回波全波形数据，生成了目标灰度图像并提取了回波波形特征数据。

c、利用光纤耦合发射脉冲到发射脉冲探测器，其结构简单，光路调整简便，且利于各部件的布置。

d、综合利用系统采集的数据进行数据处理，充分利用激光成像数据，由于各项数据具有较强的关联性，提高了数据处理的准确性。

附图说明

图1为本发明的激光成像回波波形和层次特征获取装置的结构示意图；

图2为回波功率算法流程框图；

图3为回波波形分布特征提取算法框图。

图中1、激光器，2、发射光学系统，3、光纤，4、主波探测器，5、接收光学系统，6、激光探测及不失真放大电路，7、多回波时延测量单元，8、最大不失真波形采集单元，9、数据处理模块，10、扫描伺服装置，11、GPS、INS装置。

具体实施方式

在本发明的一个实施例中，一种激光成像回波波形和层次特征获取方法首先将激光发射脉冲通过阈值探测以产生起始计数脉冲，驱动多回波时延测量单元和无失真全波形测量单元分别开始计数和全波形采集。采用这种方式可以保证测得的时延值与目标距离的对应关系，同时整个探测范围的回波波形都能采集下来。

然后将激光回波经探测和无失真放大之后同时送入多回波时延测量单元和无失真全波形采集单元，分别利用回波触发记录回波时延和实时采集回波全波形数据。两个通道可实现独立并行工作，同时记录下多回波时延数据和全波形数据。

将时延数据和全波形数据送入数据处理模块生成时延数据和全波形数据文件。该模块读取时延数据文件，利用回波时延与目标距离的关系，即目标距离等于时延与光速乘积的一半，计算得到多层次目标距离值。利用各距离值结合系统所在平台(如飞机、汽车等)的位置和姿态数据，即解算出各点在空间中三维坐标，利用图形编程成出目标点云图像。利用回波功率提取算法从回波全波形数据中提取回波功率数据，结合平台位置和姿态数据解算出的各点空间位置，成出目标的灰度图像。利用回波波形特征提取算法，提取目标回波波形的功率特征、波形分布特征、脉冲展宽特征等构成回波波形特征向量。至此，即实现了激光成像回波波形和层次特征获取。

其中，回波功率算法其流程如图2所示。该算法：

首先，读取目标全波形数据文件。在时延数据送入数据处理模块后，将以一定的存储格式生成时延数据文件，在提取回波功率的时候，需要重新读取该文件，并将其转换为时域波形数据存入数组。

其次，对目标回波波形去噪。在整个激光成像过程中，回波波形数据中会融入大量的噪声，这些噪声对于提取特征会造成影响。在这里可对波形数据做小波变换，对每层小波系数作阈值处理，再经小波重构实现波形去噪。

第三，子回波分割。对于回波分裂出的多个子回波，需要对其分别计算回波功率值。在这里可先找出各子回波峰值位置和个数，利用最小二乘法对回波进行高斯拟合，将各子回波分割。若回波只有一个则无需分割。

第四，寻找子波边界。对分割出的子回波进行遍历，找出回波幅值峰值大小及其位置，设置阈值分别在回波上升沿和下降沿找出回波边界位置。

第五，子波功率计算。对于边界内的回波波形采样点数据作平方和运算，其结果除以该回波脉冲半功率宽度得到相对的回波功率。根据激光雷达方程，在发射功率、光学参数、系统工作参数、大气环境相对一定的情况下，接收功率与距离的平方成反比，所以，将上述功率乘以距离的平方后归一化就得到每一点后向散射功率。

第六，灰度级量化。对得到的归一化后向散射功率在最大值和最小值之间进行等间隔量化。

回波波形分布特征提取算法，其流程如图3所示。该算法：

首先，读取回波波形数据。

其次，对回波波形进行去噪处理。

第三，对回波幅度归一化。由于目标的距离不同，其回波幅值不同，利用幅值归一化可以提取出稳定的特征数据。其方法是先对波形数据去直流，再作均方差归一化。

第四，平移匹配。选定某一距离值为标准，将各回波波形平移至这一标准距离之下。

第五，特征提取。对经过匹配后的回波波形数据，设置阈值分别找寻回波脉冲上升沿和下降沿对应的位置，将两位置数据相减即可得到回波波形展宽特征数据。利用小波变换的方法，找出回波脉冲波形各突变点的位置和相应的变换系数，即构成了回波波形分布特征数据。对目标回波数据进行反卷积处理，得到波形反射率分布数据，其组成了回波波形变形特征。

激光成像回波波形和层次特征获取装置如图1所示。由图可见，本发明激光成像回波波形和层次特征获取装置包括：具有一定发射功率的激光器1，发射光学系统2，用于耦合发射脉冲的光纤3，用于探测激光发射脉冲的探测器4，接收光学系统5，用于光电转换及信号不失真放大的激光探测及不失真放大电路6，多回波时延测量单元7，最大不失真波形采集单元8，数据处理模块9，扫描及其伺服装置10，GPS、INS装置11，目标12。其中光纤3包括光纤耦合与传输部分，用于将激光发射脉冲耦合到探测器4，多回波时延测量单元7可对回波多个脉冲进行计数时延测量，最大不失真波形采集单元8可实现对回波脉冲波形的最大不失真采集，数据处理模块9可对时延数据和全波形数据处理，生成目标多层次点云特征数据、灰度图像和波形特征数据。

本实施例工作情况如下：激光器1发射激光脉冲，经发射光学系统进行分光分为两部分，一部分经光纤耦合到达探测器4，探测器4利用阈值探测方式产生计数脉冲，用于驱动多回波时延测量单元7和最大不失真波形采集单元8开始工作，另一部分经由扫描装置向目标发射出去。发射激光脉冲经目标12反射到达接收光学系统5，激光回波经接收光学系统5会聚到探测器6，再经探测及不失真放大电路6转变成为电脉冲信号，得到的电脉冲信号将被分别送往多回波时延测量单元7和最大不失真波形采集单元8，由多回波时延测量单元7对目标多个子回波时延信息进行测量，由最大不失真波形采集单元8对目标回波波形进行最大不失真采集。得到的多回波时延信息和回波全波形数据连同扫描伺服装置10的角度信息和GPS、INS装置11的平台位置姿态信息将一同送往数据处理模块9。在数据处理模块9，多回波时延信息将根据距离与时延对应关系转换为距离信息，结合角度信息和平台姿态信息，生成目标多层次激光点云图像；激光全波形数据将首先利用功率特征提取算法提取其功率信息，结合角度和平台姿态信息，生成目标灰度图像；其次利用波形分布特征提取算法对全波形数据进行波形特征提取，提取波形基本特征信息，有回波脉冲宽度、子回波个数、波形奇异点、脉冲前后沿比值，并将其存入数据库。

Claims (7)

1.一种激光成像回波波形和层次特征获取方法，其特征在于包括以下步骤：

a.利用激光发射脉冲阈值探测产生计数脉冲，并进行波形采集；

b.将激光回波脉冲放大后同时进行多回波时延测量和波形采集，测量得到回波脉冲各子回波的时延数据和回波脉冲波形数据，根据测得的回波多个脉冲时延测量值以及目标距离与回波时延的关系，计算出多层次目标距离值；

c.利用多层次目标距离值生成目标多层次距离特征数据并成出点云图像；

d.利用回波功率特征提取算法从回波脉冲波形数据提取回波功率特征，利用回波波形分布特征提取算法提取波形展宽、变形及波形分布特征，并生成目标灰度图像和波形特征数据。

2.根据权利要求1所述的激光成像回波波形和层次特征获取方法，其特征在于所述波形采集为最大不失真波形采集。

3.根据权利要求1所述的激光成像回波波形和层次特征获取方法，其特征在于所述回波功率特征提取算法步骤为：

a)读取目标全波形数据文件；

b)对目标回波波形去噪；

c)子回波分割；

d)寻找子回波边界；

e)子回波功率计算；

f)灰度级量化。

4.根据权利要求1所述的激光成像回波波形和层次特征获取方法，其特征在于所述回波波形分布特征提取算法的步骤为：

a)读取回波波形数据；

b)对回波波形进行去噪处理；

c)对回波幅度归一化；

d)平移匹配；

e)特征提取。

5.一种激光成像回波波形和层次特征获取装置，包括脉冲激光器(1)、发射光学系统(2)、主波探测器(4)、数据处理模块(9)和接收光学系统(5)，脉冲激光器(1)经发射光学系统(2)和伺服扫描装置(10)向目标物发射的激光发射脉冲，接收光学系统(5)接收光信号并将光信号转为电信号，其特征在于：所述主波探测器(4)与多回波时延测量单元(7)和最大不失真波形采集单元(8)电联接；接收光学系统(5)经激光探测及不失真放大电路(6)与多回波时延测量单元(7)和最大不失真全波形采集单元(8)电联接；所述数据处理模块(9)的输入端分别与多回波时延测量单元(7)、最大不失真波形采集单元(8)不失真放大电路和GPS、INS装置(11)的输出端相电联接，与扫描伺服装置(10)交互电联接。

6.根据权利要求5所述的激光成像回波波形和层次特征获取装置，其特征在于激光发射脉冲经过光纤耦合到所述主波探测器(4)，主波探测器(4)通过阈值探测产生计数脉冲。

7.根据权利要求5所述的激光成像回波波形和层次特征获取装置，其特征在于：所述多回波时延测量单元(7)和最大不失真全波形采集单元(8)作为独立通道进行数据采集，其中多回波时延数据采集单元(7)测量目标多回波时延数据，最大不失真全波形采集单元(8)采集目标回波全波形数据；所述主波探测器(4)与激光探测及不失真放大电路(6)将回波电脉冲同时送到多回波时延测量单元(7)和最大不失真全波形采集单元(8)。

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