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激光层析距离谱图像重建研究

衣文军  
【摘要】:穿云透雾成像技术是近年来目标探测和成像领域的研究热点,在军事、搜救、交通等很多领域有重要的应用前景。在穿云透雾成像过程中,云、雾、烟等散射介质对目标成像产生多种退化和干扰影响,包括衰减、散射以及激光主动成像中的后向散射。距离选通激光主动成像技术通过接收特定距离范围的回波信号,能够有效屏蔽加性的后向散射噪声和背景噪声,但是无法消除介质层作用于目标信号的衰减、散射等乘性干扰。为了解决激光主动成像在穿云透雾成像过程中介质层对目标图像遮挡和退化的问题,本文研究了基于激光层析距离谱成像的目标探测和图像重建方法,主要包含如下工作:1.提出以“距离谱”分析激光层析成像的原理及方法。类比光谱,提出距离谱的概念,指出了激光主动成像系统接收的目标/介质的回波信号强度与距离的关系呈“谱”分布特性,将探测器接收到的目标/介质的回波信号序列的强度—距离分布定义为距离谱,将激光纵向层析成像系统探测到的回波信号源距离递增的图像序列定义为激光层析距离谱图像,该图像序列记录了整个激光传输路径上的目标/介质回波信号。建立了激光纵向层析距离谱成像系统模型,获得目标和介质层回波的距离谱能量方程,分析了系统的光路构成和工作原理,研究了可行的信号时序。2.提出了基于激光层析距离谱的目标探测和图像重建方法。激光层析距离谱图像序列中包含了整个激光传输路径上的目标/介质层回波信号,基于激光层析距离谱的目标探测和重建方法,从距离谱图像序列中挖掘介质层和目标的信息,用于建立介质层回波信号与目标退化的物理关联,进而估计并消除介质层对目标的退化影响,实现通过光学传输物理过程的辅助,重建出能够反映目标真实反射率分布的目标图像。3.建立目标图像退化模型,并提出了适用于求解该逆问题的全变分模型。目标距离谱能量方程和Monte Carlo仿真分析表明,在介质层双程透过率高于0.01时,介质层对目标图像的遮挡和退化影响中,能量衰减起主导作用,散射光子影响甚微。建立了被散射介质层遮挡的目标图像退化模型,指出了介质层对目标图像的遮挡和退化属于乘性干扰,用乘性算子─退化矩阵来度量,并推导了介质层造成的退化矩阵的表达式。将目标图像的重建分为两个步骤:(1)估计介质层的退化矩阵,(2)求解退化模型的逆问题,重建目标图像。4.针对多种介质空间分布类型,提出了有效的退化矩阵估计方法。对不同的介质分布类型,挖掘激光层析距离谱图像序列中的目标/介质信息,并引入不同的先验信息,建立介质层回波信号与目标图像退化的物理关联,获得介质层退化矩阵。当散射介质环绕目标时,提出了基于目标邻近介质层图像的退化矩阵估计方法。当散射介质层位于目标与探测器之间时,提出了基于目标自标定和基于参数预标定的退化矩阵估计方法。5.实验验证了本文提出的退化矩阵估计方法和目标图像重建方法的可行性和有效性。通过激光纵向层析距离谱成像实验系统探测得到了包含目标图像和介质层图像的距离谱图像序列,利用提出的方法重建出了目标图像,显著削弱了介质层对目标图像的非均匀遮挡影响,成功还原目标图像真实反射率分布。与同态滤波盲恢复算法的对比分析表明,所提出的目标图像重建方法更加有效,能够显著提高目标图像的峰值信噪比(PSNR)和结构相似度(SSIM)。总之,本文提出的激光层析距离谱的目标探测和图像重建技术,不仅能够通过选择性接收回波信号,以屏蔽成像链路中的后向散射和背景辐射噪声,来提高目标信噪比;更重要的是,能够利用成像链路的距离谱图像序列,提取目标/介质的参数信息,建立介质层回波信号与目标退化的物理关联,构建退化矩阵,并重建出高信噪比和高保真性的目标图像。因此,该技术与传统的距离选通成像技术有本质上的区别。利用激光层析距离谱成像技术,既可以抑制噪声和重建三维目标,还可以探测并重建被云、雾、烟等散射介质遮挡的目标图像,在抑制和消除散射介质的干扰方面获得了图像盲恢复算法所不具备的良好效果,其应用将可有效提高穿透散射介质对目标探测和成像的能力。


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