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《北京理工大学》 2016年
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基于激光距离选通成像系统的三维图像重构

田东康  
【摘要】:由于水体和雾霾等对光辐射传输的散射严重,使得在这种环境中的光电成像可见距离短、对比度低、可视效果差,提高在这种特殊环境下光电图像的清晰度和成像系统探测性能成为高光衰减环境下光电成像探测急需解决的问题。激光距离选通成像技术是一种“距离层析”成像技术,通过控制选通门宽与激光脉冲间的相对延迟可对特定距离处目标进行成像,被滤除路程中的大气散射辐射的影响,具有成像清晰、对比度高、抗干扰能力强、不受背景环境影响等优点,因此激光距离选通成像技术已成为国内外重点研究的关键技术。国内外针对激光距离选通成像系统的小型化、选通图像的图像降噪、增强、实时化图像处理等进行了广泛研究,现已发展成为一种成熟的光电成像技术。三维图像重构是结合成像系统工作模式,根据获得的二维图像还原出目标三维信息的技术。三维图像可以是我们更加清晰的了解目标的三维信息,对于遥感图像分析、军事侦察、机器人导航、虚拟现实、加工制造、工业勘探等各项领域具有很高的应用前景。由于激光距离选通成像系统的“距离层析”式成像方式,使得基于该技术的三维图像重构成为可能。国内外针对基于激光距离选通成像技术的三维图像重构进行了一定的研究,结合相关处理方法实现了基于激光距离选通成像技术的三维图像重构。本文对基于激光距离选通成像技术的“切片式”、“质心标定式”和“增益调制式”三种三维图像重构方式进行了理论分析。分析表明:“切片式”需要获得延迟步进选通图像序列,通过对步进延迟选通图像序列的处理实现目标的三维图像重构,但这种方式的重构精度由选通门宽所决定,需要使用窄门宽相机以实现目标的高精度三维图像重构,因此对相机性能有较高要求;“质心标定式”同样需要获得步进延迟选通图像序列,但研究发现该图像序列的质心与目标位置成单调对应关系,将选通门宽和步进量设定为5ns,使用高斯型激光脉冲作为照明光源进行仿真,仿真的结果表明目标位置与质心成线性关系,这种重构方式不存在理论误差,对激光距离选通成像系统硬件无特殊要求;“增益调制式”通过对目标反射的激光脉冲进行两种MCP增益调制,线性增益调制和水平增益调制,获得两种调制下的选通图像,对这两幅图像对应像素的灰度值求比值,分析表明该比值与目标位置成线性关系。这种重构方式在理论上同样不存在误差,但重构精度与MCP的调制效果息息相关,因此需要实现选通型像增强器选通门宽内MCP的精确调制。本文基于实验室的激光距离选通成像系统,对“质心标定法”进行三维图像重构的理论进行了标定性验证和误差分析。理论表明目标位置与质心成线性关系,首先设计实验对两者间的关系进行了标定,标定结果与理论相符。设计实验对标定精度进行了验证,结果表明均值误差小于1cm;其次实验表明使用这种方式进行三维图像重构过程中主要存在量两大类误差:整体关于光斑呈对称性的弯曲误差和小范围内的起伏误差。使用校正矩阵和去噪滤波的方法对这两种误差分别进行了处理。
【学位授予单位】:北京理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TN249

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