基于激光主動(dòng)成像圖像的多幀后處理算法研究.pdf

1、傳統(tǒng)的“基于圖像”的用于探測、監(jiān)視、搜索、營救、測量等光電成像探測系統(tǒng)，都屬于被動(dòng)成像系統(tǒng)。這類成像系統(tǒng)依靠目標(biāo)反射自然光或者自身的輻射，由成像設(shè)備收集微弱信號并最終成像，無需系統(tǒng)本身施加照明光源對目標(biāo)進(jìn)行照明，具有極好的隱蔽性。 但在下面的工作環(huán)境和工作領(lǐng)域中，傳統(tǒng)的被動(dòng)成像系統(tǒng)引以為榮的優(yōu)點(diǎn)卻受到了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)，有些問題甚至無法解決。 1.在漆黑的夜間、能見度很低的惡劣天氣條件下，被動(dòng)成像系統(tǒng)即使采用最靈敏的接收器，也

2、很難探測到遠(yuǎn)距離的微弱目標(biāo)。 2.在被探測目標(biāo)和背景無溫差的條件下，即使是紅外熱成像系統(tǒng)也不能很好的工作。被探測目標(biāo)與背景達(dá)到熱平衡的例子如船只的名稱、飛機(jī)尾號和汽車牌照等。 3.在強(qiáng)散射介質(zhì)中成像時(shí)，強(qiáng)散射介質(zhì)如煙霧彌漫、潮濕的大氣和水。受強(qiáng)散射介質(zhì)的影響，被動(dòng)成像系統(tǒng)難以探測到遠(yuǎn)距離的微弱目標(biāo)。 4.遠(yuǎn)程微弱目標(biāo)及深空小目標(biāo)探測成像時(shí)。遠(yuǎn)程微弱目標(biāo)表面反射率低，用被動(dòng)成像系統(tǒng)進(jìn)行探測很難實(shí)現(xiàn)，深空小暗目標(biāo)的探

3、測成像，對被動(dòng)成像系統(tǒng)來說，則更是不可能完成的任務(wù)。 被動(dòng)成像系統(tǒng)在以上的環(huán)境和領(lǐng)域中無法工作的主要原因就是由目標(biāo)反射的能量太弱，不足以被成像探測器所識別。因此，我們考慮采用對遠(yuǎn)距離目標(biāo)進(jìn)行施照的工作方式，人為增加目標(biāo)反射回的能量，就可以克服被動(dòng)成像系統(tǒng)的缺點(diǎn)，這就是主動(dòng)成像系統(tǒng)。主動(dòng)成像系統(tǒng)就是利用人工施照的工作方式，采用一個(gè)人造的光學(xué)輻射源(一般為激光器)和接收機(jī)，接收機(jī)用來探測接收目標(biāo)反射回的光輻射并最后成像。 主

4、動(dòng)成像技術(shù)是將激光技術(shù)、成像傳感器的距離選通技術(shù)和微弱目標(biāo)的信息處理技術(shù)融合而成的一門對遠(yuǎn)距離微弱目標(biāo)進(jìn)行探測和識別的新技術(shù)。為了使主動(dòng)成像系統(tǒng)能夠在低照度條件下，對遠(yuǎn)距離的微弱目標(biāo)進(jìn)行探測和識別，在系統(tǒng)的最優(yōu)配置下，遠(yuǎn)距離微弱目標(biāo)的圖像信息獲取及事后處理技術(shù)是制約該系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。為此，本文旨在從基于圖像信息的遠(yuǎn)距離微弱目標(biāo)的探測和識別技術(shù)出發(fā)，研究低照度條件下遠(yuǎn)距離微弱目標(biāo)的圖像信息獲取和事后處理技術(shù)。 要使激光主動(dòng)成像系統(tǒng)

5、在低照度條件下，對遠(yuǎn)距離的微弱目標(biāo)進(jìn)行探測和識別，主要被幾個(gè)因素所限制。包括：大氣的湍流；大氣懸浮微粒的后向散射；目標(biāo)的反射率；激光器的能量以及接收光學(xué)系統(tǒng)本身的影響。激光在大氣中傳輸時(shí)，其能量會(huì)在空氣密度的起伏(分子散射)、氣溶膠粒子(氣溶膠散射)以及大氣湍流運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的不均勻性上發(fā)生散射，導(dǎo)致傳輸方向上激光能量的減弱。因?yàn)榇髿獾纳⑸渥饔?，?huì)使目標(biāo)在被照明的同時(shí)產(chǎn)生由后向散射引起的背景輻射。隨著激光能量的增大，大氣的后向散射噪聲足以淹沒

6、從目標(biāo)反射回來的有用信號，因此需要研究各種散射模型的后向散射對激光照明作用的影響，討論并計(jì)算不同氣溶膠模型的散射相函數(shù)，建立激光照明后向散射的數(shù)學(xué)和物理模型，提出具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的大氣中激光的后向散射影響函數(shù)及其解析表達(dá)式。 在確定探測用激光器的發(fā)散角度、脈沖峰值功率、接收光學(xué)系統(tǒng)的參數(shù)以及確定激光器和接收光學(xué)系統(tǒng)的幾何配置后，主動(dòng)成像系統(tǒng)要想得到更遠(yuǎn)距離更高分辨率的微弱目標(biāo)的圖像，就只受微弱目標(biāo)的探測成像及處理技術(shù)的制約了。這

7、樣為了得到更遠(yuǎn)距離的微弱目標(biāo)高分辨率圖像，需要采取一種獨(dú)特的圖像處理方法來獲取目標(biāo)的多脈沖圖像數(shù)據(jù)并進(jìn)行后處理。因?yàn)檩^長距離和有限的激光能量下，不可能立即照明整個(gè)場景，接收成像端CCD上每個(gè)象素接收到的光照度不可能達(dá)到相當(dāng)?shù)乃?，因此用激光多脈沖來獲取整個(gè)目標(biāo)場景的圖像。采用輻射量來確定每一曝光時(shí)間內(nèi)最大的景物照明區(qū)域(子區(qū)域—產(chǎn)生子圖像)，利用每一照明子區(qū)域的多幀圖像數(shù)據(jù)來消除散粒噪聲和大氣擾動(dòng)的影吶。并用超分辨率重構(gòu)算法重構(gòu)每個(gè)子圖