CN102305932A - 菲涅耳望远镜成像激光雷达运动目标成像方法 - Google Patents

Abstract

一种利用菲涅耳望远镜成像激光雷达对运动目标成像的方法，包括下列步骤：菲涅耳望远镜成像激光雷达一维扫描工作模式信号发射和接收、时间域采样信号i_{i ， AB}的时间-空间变换、空间域采样信号i_{i ， space}的Delaunay三角剖分、设计重采样信号i_i(x，y)对应的空间坐标矩阵B、三角网格数据i_{i ， tri}立方卷积插值和利用相位型空间光调制器实现目标重建，本发明将一维周期扫描，立方卷积插值和空间光调制器相结合应用到菲涅耳望远镜成像激光雷达对运动目标成像中，解决了空间域采样信号非均匀分布的问题，扩展了菲涅耳望远镜成像激光雷达的应用范围。

Description

菲涅耳望远镜成像激光雷达运动目标成像方法

技术领域

本发明涉及菲涅耳望远镜成像激光雷达，特别是一种利用菲涅耳望远镜成像激光雷达对运动目标成像的方法。

在菲涅耳望远镜成像激光雷达成像系统中，存在空间域采样信号非均匀分布的问题，影响目标的重建。本发明利用快速反射镜(FSM)控制激光束对运动目标进行快速的一维周期扫描，并利用立方卷积插值实现非均匀分布空间域采样信号到均匀分布重采样信号的转换，最后利用相位型空间光调制器重建目标，实现了菲涅耳望远镜成像激光雷达对运动目标的成像，扩展了菲涅耳望远镜成像激光雷达的应用范围。

背景技术

在目标探测和目标识别领域，获得高分辨率图像是一项持续的工作。在军事应用特别是预警探测、战略防御和侦察监视等方面具有战略性发展地位。菲涅耳望远镜成像激光雷达是一种新型的成像激光雷达技术，能够实现目标超光学分辨率极限的二维成像。

菲涅耳望远镜成像激光雷达基于对目标进行同轴同心相位二次项偏振正交双光束扫描的光电数据收集以及光学和数字计算空间复相位解调的图像重构(参见在先技术[1]：刘立人，菲涅耳望远镜成像激光雷达，公开号：CN1019800049A)。

菲涅耳望远镜成像激光雷达的工作原理如图1所示，从激光器1开始依次是发射偏振分束器2，左通道空间相位调制器3，右通道空间相位调制器4，发射偏振合束器5，激光放大器6，发射望远镜7，光束扫描器8，目标9，接收望远镜10，接收偏振分束器11，2×490°空间光学桥接器12，上路平衡接收机13和上路放大及码数转换器14，下路平衡接收机15和下路放大及码数转换器16，复数化器17，时间空间坐标转换器18，重采样插值空间坐标变换器19，匹配滤波器20到输出图像21，此外还有控制计算机22。

在对运动目标成像时，由于目标和扫描光束的相对运动，所接收的时间域采样信号经过时间-空间变换后，获得的空间域采样信号呈现二维周期折线式的非均匀分布，影响了目标的重建。在先技术仅提出利用重采样插值空间坐标变换器19对采样信号进行处理，但并未给出具体的实施方法。

重采样插值是一种重要的数值计算方法，通过重采样点一定邻域范围内采样点数值计算获得重采样点的数值。重采样插值广泛应用于雷达成像、医学成像等领域，插值的精度对成像质量有重要的影响。在菲涅耳望远镜成像激光雷达中，需要处理的空间域采样信号呈周期折线式非均匀分布，采样信号的函数值为二维菲涅耳波带片形式的复数二次项，与现有的激光雷达(参见在先技术[2]：Carrara，W.G.，Goodman，R.S.，Majewski，R.M.，Spotlight Synthetic Aperture Radar：Signal Processing Algorithms[M].Artech House(Boston)，1995)和医学成像(参见在先技术[3]：许为华，尹学松，医学图像插值算法的研究[J]计算机仿真，2006，23(1)：111～114)等工作中采样信号的分布和函数值形式均不同。因此必须选择适合于菲涅耳望远镜成像激光雷达采样信号特点的插值方法，并证明其有效性。

在先技术对于此问题并未给出具体解决方法。针对这一情况，我们提出包含重采样插值步骤的菲涅耳望远镜成像激光雷达运动目标成像方法。

发明内容

本发明的目的在于针对上述在先技术的不足，提供一种菲涅耳望远镜成像激光雷达运动目标成像方法，以能够克服菲涅耳望远镜成像激光雷达空间域采样信号非均匀分布的问题，该方法原理可靠，易于实现。

本发明的具体技术解决方案如下：

一种菲涅耳望远镜成像激光雷达对运动目标成像的方法，其特点在于包括下列步骤：

①菲涅耳望远镜成像激光雷达一维扫描工作模式信号发射和接收：

菲涅耳望远镜成像激光雷达发射系统将偏振正交的同轴同心光束投向目标。快速反射镜FSM控制光束做高速一维周期扫描，当运动目标经过扫描光束时，接收望远镜对回波进行光学接收。菲涅耳望远镜成像激光雷达接收系统得到采样信号i_i，AB为：

其中y_w(t)为光束的线性周期扫描函数；v为目标运动速度，θ为目标运动方向与光束扫描方向的夹角；t₂为目标面时间，Δt₂是时间采样周期；

是发射系统两路光的相位延迟差；R_equ是等效曲率半径；S为光斑的振幅函数(参见在先技术[1]：刘立人，菲涅耳望远镜成像激光雷达成像激光雷达，公开号：CN1019800049A)。

采样信号i_i，AB的坐标矩阵A的行数和列数分别为k_x，k_y。

②采样信号i_i，AB的Delaunay三角剖分：

在采样信号i_i，AB中，找出相距最短的两点连接作为定向基线，搜索位于定向基线右面的第三个点，创建Delaunay三角形。然后把新生成的三角形的两个边作为新的基线。重复上述过程直到所有的基线都用过为止。形成一系列相连但不重叠的三角形的集合，而且这些三角形的外接圆不包含这个面域的其他任何点。实现采样信号i_i，AB的Delaunay三角剖分，在计算机内建立i_i，AB的三角网格数据i_i，tri。(参见在先技术[4]：Lee D T and Schacher B J.Two algorithms for constructing a delaunaytriangulation[J].International Journal of Computer and Information Sciences，1980，9(3)：219～242)

③建立重采样信号i_i(x，y)的坐标矩阵B：

重采样信号i_i(x，y)在x方向和y方向的采样间隔相等，即

Δx＝Δy，                    (2)

坐标矩阵B中各元素值呈等间隔分布，矩阵B的总元素数K’为：

K’＝(k_x-a)×(k_y-b)，         (3)

其中a，b为删除的边缘采样宽度；

④三角网格数据i_i，tri立方卷积插值：

立方卷积插值核为(参见在先技术[5]：Robert G.Keys，Cubic convolutioninterpolation for digital image processing[J].IEEE，1981.29(6)：1153～1160)：

$g\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}3{\left|x\right|}^3/2-5{\left|x\right|}^2/2+1& 0<\left|x\right|<1\\ -{\left|x\right|}^3/2+5{\left|x\right|}^2/2-4\left|x\right|+2& 1<\left|x\right|<2\\ 0& 2<\left|x\right|\end{array}\right..---\left(4\right)$

对于重采样信号i_i(x，y)中任一采样点i，依据i在B中对应的坐标值，计算点i与三角网格i_i，tri中采样点的距离，获得点i在i_i，tri中的邻近点集合P，依据(4)式所示立方卷积插值核对邻近点集合P进行插值，得到重采样点i的函数值。重复这一过程，直到获得所有重采样信号的函数值，从而得到满足正交坐标规则分布的重采样信号i_i(x，y)：

其中：ΔL为采样距离间隔，即

Δx＝Δy＝ΔL    .               (6)

⑤目标重建：

计算机将重采样信号i_i(x，y)输入空间光调制器，调制空间光调制器的输出强度，利用平行光照射空间光调制器，实时产生重建目标(参见在先技术[6]：T.C.Poon，optical scanning holography with matlab[M]，Springer，New York，2007.)。

本发明的技术效果如下：

本发明与现有成像激光雷达技术相比，本发明利用快速反射镜(FSM)控制激光束对运动目标进行快速的一维周期扫描，并利用立方卷积插值实现非均匀分布空间域采样信号到均匀分布重采样信号的转换，最后利用相位型空间光调制器重建目标，实现了菲涅耳望远镜成像激光雷达对运动目标的成像，扩展了菲涅耳望远镜成像激光雷达的应用范围。

该方法原理可靠，易于实现。优点在于可以用于运动目标的高分辨率实时成像，适用于高速运动目标识别等领域。

附图说明

图1是菲涅耳望远镜成像激光雷达成像原理图。

图2是本发明菲涅耳望远镜成像激光雷达运动目标成像方法的流程图。

图3是本发明菲涅耳望远镜成像激光雷达运动目标成像方法相对运动示意图。

图4是本发明菲涅耳望远镜成像激光雷达运动目标成像方法采样信号坐标分布示意图。

图5是本发明菲涅耳望远镜成像激光雷达运动目标成像方法立方卷积插值后均匀正交分布的重采样点示意图。

图6是本发明菲涅耳望远镜成像激光雷达运动目标成像方法目标重建示意图。

图7是本发明菲涅耳望远镜成像激光雷达运动目标成像方法计算机仿真的目标图像。

图8是本发明菲涅耳望远镜成像激光雷达运动目标成像方法计算机仿真重建目标图像。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图2，图2是本发明菲涅耳望远镜成像激光雷达目标成像方法的流程图。包括的步骤：101为菲涅耳望远镜成像激光雷达一维扫描工作模式信号发射和接收；102为时间域采样信号i_i，AB的时间-空间变换；103空间域采样信号i_i，space的Delaunay三角剖分；104为设计重采样信号i_i(x，y)对应的空间坐标矩阵B；105三角网格数据i_i，tri立方卷积插值；106为目标重建。

一种菲涅耳望远镜成像激光雷达运动目标成像方法，其特点在于包括以下步骤：

①菲涅耳望远镜成像激光雷达一维扫描工作模式信号发射和接收：

菲涅耳望远镜成像激光雷达发射系统将偏振正交的同轴同心光束投向目标。快速反射镜FSM控制光束做高速一维周期扫描，当运动目标经过扫描光束时，接收望远镜对回波进行光学接收。

图3是本发明菲涅耳望远镜成像激光雷达运动目标成像方法相对运动示意图。

激光波长λ＝1μm，发射望远镜产生的在h＝100km上目标照明宽度为照明光斑相位半波数N＝18。

菲涅耳望远镜成像激光雷达接收系统接收到采样信号i_i，AB为：

其中：y_w(t)为光束的线性周期扫描函数，设计光斑光束一维扫描函数y_w(t)振幅等于光斑的半径，为5m，可以实现较理想的采样；v为目标运动速度，θ为目标运动方向与光束扫描方向的夹角。令激光扫描方向与目标飞行方向相垂直，即θ0°；t₂为目标面时间，Δt₂是时间采样周期；

是发射系统两路光的相位延迟差；R_equ是等效曲率半径；S为光斑的振幅函数；采样信号i_i，AB的坐标矩A的行数和列数分别为k_x，k_y，设计采样点数n＝K＝k_x×k_y＝101×101。(参见在先技术[1]：刘立人，菲涅耳望远镜成像激光雷达成像激光雷达，公开号：CN1019800049A)。

图4是本发明菲涅耳望远镜成像激光雷达运动目标成像方法采样信号坐标分布示意图。

②采样信号的Delaunay三角剖分：

在采样信号i_i，AB中，找出相距最短的两点连接作为定向基线，搜索位于定向基线右面的第三个点，创建Delaunay三角形。然后把新生成的三角形的两个边作为新的基线。重复上述过程直到所有的基线都用过为止。形成一系列相连但不重叠的三角形的集合，而且这些三角形的外接圆不包含这个面域的其他任何点。实现采样信号i_i，AB的Delaunay三角剖分，在计算机内建立i_i，AB的三角网格数据i_i，tri(参见在先技术[4]：Lee D T and Schacher B J.Two algorithms for constructing a delaunaytriangulation[J].International Journal of Computer and Information Sciences，1980，9(3)：219～242)。

③建立重采样信号i_i(x，y)的坐标矩阵B：

重采样信号i_i(x，y)在x方向和y方向的采样间隔相等，即

Δx＝Δy，                       (2)

对应的矩阵B中各元素值呈等间隔分布。

由于使用内插的方式，所以舍弃部分边缘采样点，矩阵B的总元素数K’满足

K’＝(k_x-a)×(k_y-b)，            (3)

其中a，b为删除的边缘采样宽度，a＝b＝2，坐标矩阵B的总元素数K’＝99×99；

④三角网格数据i_i，tri立方卷积插值：

典型的重采样插值方法包括：最近邻插值，双线性插值和立方卷积插值。由于平衡探测信号满足菲涅耳波带片二次项分布，相比其他两种插值方法，立方卷积插值法具有更高的阶次，连续性更好，因此误差相对较小。选择立方卷积插值法作为菲涅耳望远镜成像激光雷达的重采样插值算法。

立方卷积插值核为(参见在先技术[5]：Robert G.Keys，Cubic convolutioninterpolation for digital image processing[J].IEEE，1981.29(6)：1153～1160)：

$g\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}3{\left|x\right|}^3/2-5{\left|x\right|}^2/2+1& 0<\left|x\right|<1\\ -{\left|x\right|}^3/2+5{\left|x\right|}^2/2-4\left|x\right|+2& 1<\left|x\right|<2\\ 0& 2<\left|x\right|\end{array}\right..---\left(4\right)$

对于重采样信号i_i(x，y)中任一采样点i，依据i在B中对应的坐标值，计算点i与三角网格i_i，tri中采样点的距离，获得点i在i_i，tri中的邻近点集合P，依据(4)式所示立方卷积插值核对邻近点集合P进行插值，得到重采样点i的函数值。重复这一过程，直到获得所有重采样信号的函数值，从而得到满足正交坐标规则分布的重采样信号i_i(x，y)：

其中：ΔL为采样距离间隔，即

Δx＝Δy＝ΔL.                    (6)

通过步骤②～④，完成重采样插值。

图5是本发明菲涅耳望远镜成像激光雷达运动目标成像方法重采样插值后重采样数据分布示意图。

⑤目标重建：

图6是本发明菲涅耳望远镜成像激光雷达运动目标成像方法目标重建示意图。201为计算机，202为空间光调制器，203为平行照明光，204为重建目标像。

计算机1将重采样信号i_i(x，y)输入空间光调制器2，调制空间光调制器的输出强度，利用平行光3照射空间光调制器，实时产生重建目标4(参见在先技术[6]：T.C.Poon，optical scanning holography with matlab[M]，Springer，New York，2007.)

图7是本发明菲涅耳望远镜成像激光雷达运动目标成像方法计算机仿真的目标图像。

图8是本发明菲涅耳望远镜成像激光雷达运动目标成像方法计算机仿真重建的目标图像。

本发明采用重采样插值方法，解决了菲涅耳望远镜成像激光雷达运动目标一维扫描模式非均匀采样的问题，并给出了一维扫描模式的具体成像步骤。经计算机仿真获得了较好的目标重建图像。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种利用菲涅耳望远镜成像激光雷达对运动目标成像的方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

①菲涅耳望远镜成像激光雷达一维扫描工作模式信号发射和接收：

菲涅耳望远镜成像激光雷达发射系统将偏振正交的同轴同心光束投向目标，快速反射镜FSM控制光束做高速一维周期扫描，当运动目标经过扫描光束时，接收望远镜对回波进行光学接收，菲涅耳望远镜成像激光雷达接收系统得到采样信号i_i，AB为：

其中y_w(t)为光束的线性周期扫描函数；v为目标运动速度，θ为目标运动方向与光束扫描方向的夹角；t₂为目标面时间，Δt₂是时间采样周期；

是发射系统两路光的相位延迟差；R_equ是等效曲率半径；S为光斑的振幅函数，采样信号i_i，AB的坐标矩阵A的行数和列数分别为k_x，k_y；

②采样信号i_i，AB的Delaunay三角剖分：

在采样信号i_i，AB中，找出相距最短的两点连接作为定向基线，搜索位于定向基线右面的第三个点，创建Delaunay三角形；然后把新生成的三角形的两个边作为新的基线，重复上述过程直到所有的基线都用过为止，形成一系列相连但不重叠的三角形的集合，而且这些三角形的外接圆不包含这个面域的其他任何点，实现采样信号i_i，AB的Delaunay三角剖分，在计算机内建立i_i，AB的三角网格数据i_i，tri；

③建立重采样信号i_i(x，y)的坐标矩阵B：

重采样信号i_i(x，y)在x方向和y方向的采样间隔相等，即

Δx＝Δy，

坐标矩阵B中各元素值呈等间隔分布，矩阵B的总元素数K’为：

K’＝(k_x-a)×(k_y-b)，

其中：a，b为删除的边缘采样宽度；

④三角网格数据i_i，tri立方卷积插值：

立方卷积插值核为：

$g\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}3{\left|x\right|}^3/2-5{\left|x\right|}^2/2+1& 0<\left|x\right|<1\\ -{\left|x\right|}^3/2+5{\left|x\right|}^2/2-4\left|x\right|+2& 1<\left|x\right|<2\\ 0& 2<\left|x\right|\end{array}\right.$

对于重采样信号i_i(x，y)中任一采样点i，依据i在B中对应的坐标值，计算点i与三角网格i_i，tri中采样点的距离，获得点i在i_i，tri中的邻近点集合P，依据(4)式所示立方卷积插值核对邻近点集合P进行插值，得到重采样点i的函数值，重复这一过程，直到获得所有重采样信号的函数值，从而得到满足正交坐标规则分布的重采样信号i_i(x，y)：

其中：ΔL为采样距离间隔，即

Δx＝Δy＝ΔL  ；

⑤目标重建：

计算机将重采样信号i_i(x，y)输入空间光调制器，调制空间光调制器的输出强度，利用平行光照射空间光调制器，产生重建目标。

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