CN110554404B - 一种强背景噪声下Gm-APD阵列激光雷达成像方法及系统 - Google Patents

一种强背景噪声下Gm-APD阵列激光雷达成像方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种强背景噪声下Gm‑APD阵列激光雷达成像方法及系统，包括：获得强背景噪声下，两组不同距离门开启时间的Gm‑APD阵列激光雷达累积探测数据；分别对两组Gm‑APD阵列激光雷达所有像元累积探测数据进行统计，得到两组Gm‑APD阵列激光雷达累积探测结果直方图；根据两组探测结果直方图得到成像目标所处距离范围；在成像目标所处距离范围内，采用峰值判别法得到激光雷达成像。系统包括探测数据获取模块，探测结果直方图统计模块，成像目标距离范围获取模块，激光雷达成像模块。本发明所提供的强背景噪声下Gm‑APD阵列激光雷达成像方法，除去了其他距离范围内的强背景噪声干扰，提升了激光图像质量。

Description

一种强背景噪声下Gm-APD阵列激光雷达成像方法及系统
技术领域
本发明属于激光雷达技术领域，更具体地，涉及一种强背景噪声下Gm-APD阵列激光雷达成像方法及系统。
背景技术
工作在盖革模式(Geiger-mode，Gm)下的面阵雪崩光电二极管(Avalanche PhotoDiode，APD)激光雷达自20世纪末被应用到激光雷达领域，就成为了该领域中的研究热点，得到飞速发展。Gm-APD作为激光雷达的探测器，具有探测灵敏度高，功耗低，体积小，集成度高的优点，在远距离、弱信号探测领域具有重大的研究及应用价值。
Gm-APD激光雷达工作原理是：脉冲激光器发射的激光脉冲经过光学发射系统照射目标，一小部分脉冲能量由触发雪崩光电二极管(Trigger APD)接收，由脉冲边沿检测器形成时间数字转换器(TDC)电路的计时开始信号，用来触发计时电路开始计时。其余激光脉冲从目标反射回来，由光学接收系统接收，进入Gm-APD探测器阵列。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(Range Gate)技术提高系统的探测性能。探测器只在距离门内响应，在距离门外，探测器不工作，从而拒绝了大气后向散射与背景噪声。在经过一段延迟时间后，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，从而获得激光脉冲的飞行时间。Gm-APD激光雷达具有单光子灵敏度的特性，对噪声光电子极度敏感；并且Gm-APD激光雷达采用数字探测技术，无法根据输出信号的幅值辨别信号及噪声；再者，由于死时间的存在，在信号之前响应的噪声输出将会直接阻止Gm-APD对信号的响应。因此，如何有效抑制噪声，恢复成像目标距离信息，对提高Gm-APD激光雷达探测性能具有重要意义。
Gm-APD激光雷达采用累积探测方式，经过大量的重复测量，根据获取的光子计数统计直方图恢复目标信息，常见的距离信息恢复算法包括峰值判别法、质心算法、基于相关法自适应滤波算法、拟合算法，拟合算法又包括非线性最小二乘拟合、高斯拟合、双高斯拟合等。各算法都是通过累积探测获取多帧的激光距离像，再根据目标回波与噪声在统计特性上的不同，即在背景噪声较弱的情况下，如夜间或室内成像，噪声信号时间相关性差，而目标信号时间相关性好，在累积探测中其强度远大于噪声，以此区分目标回波信号及噪声，恢复探测器各像元距离信息，得到多帧累积生成的激光距离像。而面阵Gm-APD激光探测器无法直接获取强度像，一些研究将Gm-APD激光雷达的光子计数表征为目标的强度信息。
然而，以上算法均无法解决背景噪声较强的情况下的距离信息恢复问题，如白天获取的数据中，探测器会被太阳辐射频繁触发，此时会出现背景噪声强度大于目标回波信号的情况，使得生成的距离像中有大量噪声干扰，极大限制了面阵Gm-APD激光雷达系统的适用环境。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种强背景噪声下Gm-APD阵列激光雷达成像方法及系统，其目的在于，提高强背景噪声下Gm-APD阵列激光雷达生成激光距离像、强度像的图像质量。
为实现上述目的，按照本发明的一方面，提供了一种强背景噪声下Gm-APD阵列激光雷达成像方法，包括以下步骤：
(1)获得强背景噪声下，两组不同距离门开启时间的Gm-APD阵列激光雷达累积探测数据；
(2)分别对两组Gm-APD阵列激光雷达所有像元累积探测数据进行统计，得到两组Gm-APD阵列激光雷达累积探测结果直方图；
(3)根据两组探测结果直方图得到目标所处距离范围；
(4)在目标所处距离范围内，采用峰值判别法以得到所述Gm-APD阵列激光雷达各像素位置处距离及强度信息，得到激光距离像及强度像。
进一步地，成像目标分别位于Gm-APD阵列激光雷达的距离门范围内及距离门范围外。
进一步地，激光雷达成像包括成像目标的多脉冲激光距离像和多脉冲激光强度像。
进一步地，Gm-APD阵列激光雷达累积探测结果直方图横坐标为距离值，纵坐标为累积探测过程中各距离值探测结果的计数值。
进一步地，步骤(3)具体包括：
成像目标位于距离门范围内获取累积探测结果直方图1，成像目标位于距离门范围外获取累积探测结果直方图2，将所述累积探测结果直方图1各距离值处探测结果计数值减去所述累积探测结果直方图2对应距离值处探测结果计数值，得到计数差值直方图；
根据所述计数差值直方图得到目标区间结果直方图，若所述计数差值直方图结果大于预设阈值T1的距离值处被保留所述目标区间结果直方图距离值结果为1；否则所述目标区间结果直方图距离值结果为0；
去除所述目标区间结果直方图中小段的距离区域，遍历所述目标区间结果直方图，若连续多个距离值被保留，且其个数大于T2，则保留此段距离值；否则将此段距离值设置为0；
其中，T1和T2均为预设阈值。
进一步地，峰值判别法包括将探测结果直方图中峰值位置的距离值作为多脉冲激光距离像对应的距离值，峰值包络范围内计数值之和作为多脉冲激光强度像对应的灰度值。
按照本发明的另一方面，提供了一种强背景噪声下Gm-APD阵列激光雷达成像系统，包括：
探测数据获取模块，用于获得强背景噪声下，两组不同距离门开启时间的Gm-APD阵列激光雷达累积探测数据；
探测结果直方图统计模块，用于分别对两组所述Gm-APD阵列激光雷达所有像元累积探测数据进行统计，得到两组Gm-APD阵列激光雷达累积探测结果直方图；
成像目标距离范围获取模块，用于根据两组所述探测结果直方图得到成像目标所处距离范围；
激光雷达成像模块，用于在所述成像目标所处距离范围内，采用峰值判别法得到激光雷达成像。
进一步地，激光雷达成像分别位于所述Gm-APD阵列激光雷达的距离门范围内及距离门范围外。
进一步地，激光雷达成像包括成像目标的多脉冲激光距离像和多脉冲激光强度像。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
本发明所提供的一种强背景噪声下Gm-APD阵列激光雷达成像方法，通过获取成像目标位于激光雷达距离门范围内及外激光数据，根据两组数据的探测结果统计直方图在目标所在距离范围内具有较大差异的特点，得到目标所处距离范围，并在此范围内通过距离恢复算法成像，除去了其他距离范围内的强背景噪声干扰，提升了激光图像质量。在激光距离像中，目标表面距离信息更为完整，距离信息恢复效果显著；在激光强度像中，在保证目标回波强度的同时抑制了背景噪声，提升图像中目标区域及背景区域对比度。
附图说明
图1为本发明实施例提供的待成像的建筑物可见光图像；
图2为本发明实施例提供的强背景噪声下Gm-APD阵列激光雷达成像方法流程图；
图3为Gm-APD阵列激光雷达一次探测获取的图1所示建筑物激光距离像；
图4为本发明实施例提供的获取所述两组不同距离门开启时间Gm-APD阵列激光雷达累积探测数据示意图；
图5为本发明实施例提供的两组Gm-APD阵列激光雷达累积探测结果直方图；
图6为本发明实施例提供的两组Gm-APD阵列激光雷达累积探测数据计数差值直方图；
图7为本发明实施例提供的目标区间结果直方图；
图8为本发明实施例提供的目标区间最终结果直方图；
图9(a)为本发明实施例提供的强背景噪声下Gm-APD阵列激光雷达距离成像；
图9(b)为本发明实施例提供的强背景噪声下Gm-APD阵列激光雷达强度成像。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种强背景噪声下Gm-APD阵列激光雷达成像方法及系统，其整体思路在于：根据在一定时间内获取的不同距离门位置数据，其探测结果直方图中，背景噪声及系统内部噪声具有相似分布，而在目标所处距离范围内具有显著不同的特点，根据目标处于距离门范围内、外两组激光雷达数据确定目标所在距离，在生成激光距离像、强度像时，即可排除其他距离范围内的噪声干扰，达到抑制噪声的目标，提高图像质量。
图1所示为本发明实施例提供的建筑物目标所在场景的可见光图像，以下结合图1所示的地面建筑物实例，对本发明所提供的强背景噪声下Gm-APD阵列激光雷达成像方法进行详细说明。(激光数据来自哈工大孙剑锋老师团队)
本发明提供了一种强背景噪声下Gm-APD阵列激光雷达成像方法，如图2所示，包括以下步骤：
(1)获得强背景噪声下，两组不同距离门开启时间的Gm-APD阵列激光雷达累积探测数据；
具体地，在本实施例中，在高度46米、距离建筑物目标2km处利用Gm-APD阵列激光雷达采集两组激光图像数据，每组数据包含400帧激光图像，所采集的激光图像如图3所示，激光图像大小为64×64，激光图像距离分辨率为0.18m；其中，两组数据目标分别处于距离门范围内及距离门范围外，得到累积探测数据1及累积探测数据2，距离门位置示意图如图4所示；
(2)分别对两组Gm-APD阵列激光雷达所有像元累积探测数据进行统计，得到两组Gm-APD阵列激光雷达累积探测结果直方图；
其中，所述Gm-APD阵列激光雷达累积探测结果直方图横坐标为距离值，纵坐标为累积探测过程中各距离值探测结果的计数值，由累积探测数据1得到累积探测结果直方图1，如图5中数据1所示，由累积探测数据2得到累积探测结果直方图2，如图5中数据2所示；
(3)根据两组探测结果直方图得到目标所处距离范围；
具体包括：
成像目标位于距离门范围内获取累积探测结果直方图1，成像目标位于距离门范围外获取累积探测结果直方图2，将所述累积探测结果直方图1各距离值处探测结果计数值减去所述累积探测结果直方图2对应距离值处探测结果计数值，得到计数差值直方图，如图6所示；
根据所述计数差值直方图得到目标区间结果直方图，若所述计数差值直方图某距离值处结果大于预设阈值T1，则保留该距离值，所述目标区间结果直方图距离值结果为1；否则所述目标区间结果直方图距离值结果为0，如图7所示；
去除所述目标区间结果直方图中小段的距离区域，遍历所述目标区间结果直方图，若连续多个距离值被保留，且其个数大于T2，则保留此段距离值；否则将此段距离值设置为0，如图8所示；
其中，T1和T2均为预设阈值，可根据实际需要确定，在本实施例中，T1优选为200，T2优选为1。
(4)在目标所处距离范围内，采用峰值判别法以得到Gm-APD阵列激光雷达各像素位置处距离及强度信息，得到激光距离像及强度像，将探测结果直方图中峰值位置的距离值作为多脉冲激光距离像对应的距离值，峰值包络范围内计数值之和作为多脉冲激光强度像对应的灰度值，分别如图9(a)和9(b)所示。
通过获取成像目标位于激光雷达距离门范围内及外激光数据，根据两组数据的探测结果统计直方图在目标所在距离范围内具有较大差异的特点，得到目标所处距离范围，并在此范围内通过距离恢复算法成像，除去了其他距离范围内的强背景噪声干扰，提升了激光图像质量。在激光距离像中，目标表面距离信息更为完整，距离信息恢复效果显著；在激光强度像中，在保证目标回波强度的同时抑制了背景噪声，提升图像中目标区域及背景区域对比度。
具体地，成像目标分别位于Gm-APD阵列激光雷达的距离门范围内及距离门范围外。
具体地，Gm-APD阵列激光雷达累积探测结果直方图横坐标为距离值，纵坐标为累积探测过程中各距离值探测结果的计数值。
本发明还提供了一种强背景噪声下Gm-APD阵列激光雷达成像系统，包括：
探测数据获取模块，用于获得强背景噪声下，两组不同距离门开启时间的Gm-APD阵列激光雷达累积探测数据；
探测结果直方图统计模块，用于分别对两组所述Gm-APD阵列激光雷达所有像元累积探测数据进行统计，得到两组Gm-APD阵列激光雷达累积探测结果直方图；
成像目标距离范围获取模块，用于根据两组所述探测结果直方图得到成像目标所处距离范围；
激光雷达成像模块，用于在所述成像目标所处距离范围内，采用峰值判别法得到激光雷达成像。
具体地，激光雷达成像分别位于所述Gm-APD阵列激光雷达的距离门范围内及距离门范围外。
具体地，激光雷达成像包括成像目标的多脉冲激光距离像和多脉冲激光强度像。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种强背景噪声下Gm-APD阵列激光雷达成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)获得强背景噪声下，两组不同距离门开启时间的Gm-APD阵列激光雷达累积探测数据；
(2)分别对两组所述Gm-APD阵列激光雷达所有像元累积探测数据进行统计，得到两组Gm-APD阵列激光雷达累积探测结果直方图；
(3)根据两组所述探测结果直方图得到成像目标所处距离范围；
(4)在所述成像目标所处距离范围内，采用峰值判别法以得到所述Gm-APD阵列激光雷达各像素位置处距离及强度信息，得到激光雷达成像。
2.根据权利要求1所述的成像方法，其特征在于，所述两组不同距离门开启时间决定的两次成像分别位于所述Gm-APD阵列激光雷达的距离门范围内及距离门范围外。
3.根据权利要求1所述的成像方法，其特征在于，所述激光雷达成像包括成像目标的多脉冲激光距离像和多脉冲激光强度像。
4.根据权利要求1所述的成像方法，其特征在于，所述Gm-APD阵列激光雷达累积探测结果直方图横坐标为距离值，纵坐标为累积探测过程中各距离值探测结果的计数值。
5.根据权利要求1所述的成像方法，其特征在于，所述步骤(3)具体包括：
成像目标位于距离门范围内获取累积探测结果直方图1，成像目标位于距离门范围外获取累积探测结果直方图2，将所述累积探测结果直方图1各距离值处探测结果计数值减去所述累积探测结果直方图2对应距离值处探测结果计数值，得到计数差值直方图；
根据所述计数差值直方图得到目标区间结果直方图，所述计数差值直方图结果大于预设阈值T1的距离值处被保留，所述目标区间结果直方图距离值结果为1；否则所述目标区间结果直方图距离值结果为0；
去除所述目标区间结果直方图中小于预设的距离区域，遍历所述目标区间结果直方图，若连续多个距离值被保留，且其个数大于T2，则保留此段距离值；否则将此段距离值设置为0；
其中，T1和T2均为预设阈值。
6.根据权利要求1所述的成像方法，其特征在于，所述峰值判别法包括将探测结果直方图中峰值位置的距离值作为多脉冲激光距离像对应的距离值，峰值包络范围内计数值之和作为多脉冲激光强度像对应的灰度值。
7.一种强背景噪声下Gm-APD阵列激光雷达成像系统，其特征在于，包括：
探测数据获取模块，用于获得强背景噪声下，两组不同距离门开启时间的Gm-APD阵列激光雷达累积探测数据；
探测结果直方图统计模块，用于分别对两组所述Gm-APD阵列激光雷达所有像元累积探测数据进行统计，得到两组Gm-APD阵列激光雷达累积探测结果直方图；
成像目标距离范围获取模块，用于根据两组所述探测结果直方图得到成像目标所处距离范围；
激光雷达成像模块，用于在所述成像目标所处距离范围内，采用峰值判别法得到激光雷达成像。
8.根据权利要求7所述的成像系统，其特征在于，所述激光雷达成像分别位于所述Gm-APD阵列激光雷达的距离门范围内及距离门范围外。
9.根据权利要求8所述的成像系统，其特征在于，所述激光雷达成像包括成像目标的多脉冲激光距离像和多脉冲激光强度像。
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