激光成像处理技术研究现状及展望(特邀)

激光成像在多个领域中应用广泛,其成像时包含一系列的信号和信息处理过程,会对成像质量造成关键性的影响,并在成像信息运用的过程中起着关键性作用。文中主要针对典型激光成像处理技术进行综述性研究。首先,讨论了典型成像体制的激光成像处理技术特征,按照信号处理和信息处理两个阶段归纳了主要的共性处理方法和内容。其次,分析了激光信号去噪、辐射与几何校正和激光点云处理技术,激光测距、图像重建、目标检测的信息处理技术的发展现状,研究了典型处理技术特别是基于深度学习的激光成像智能处理技术的实现过程。最后,分析了激光成像处理技术的发展需求和未来发展方向,希望能对激光成像的相关研究带来一定的参考作用。

公里级激光反射层析实验和碎片质心估计

大功率激光清理低轨大量厘米级空间碎片一直是国际学术研究的热点.其中,空间碎片的精确定位和碎片质心距离的高精度测量是关键,也是亟待解决的世界性难题.作为一种新型远距离、高分辨率的成像方法,激光反射层析具有成像分辨率与探测距离无关的优势,是远距离空间暗目标探测的有效途径.基于激光反射层析原理,建立厘米级空间碎片目标质心模型,分析碎片目标与探测器的相对运动,进而提出厘米级空间碎片质心距离估计方法,开展了1 km探测距离激光反射层析实验验证.实验结果表明,该方法能够将质心探测精度由1.50 cm提高到0.34 cm,是实现厘米级空间碎片质心距离高精度测量的有效手段.该研究实现了公里级激光反射层析实验及其理论验证的突破,具有更广阔的应用前景和技术发展潜力.

智能反射面辅助的无线网络加权和速率优化设计

针对智能反射面(intelligent reflecting surface,IRS)辅助的无线网络传输设计的目标是通过联合设计基站处的发送波束形成向量和IRS的反射系数,在满足基站发射功率和IRS单位模约束的条件下,使多个地面用户的加权和速率最大化。为了求解非凸的目标函数,提出一种交替优化方法,其中采用黎曼流形梯度(Riemannian manifold gradient,RMG)方法来优化反射系数,使用二分搜索法优化发送波束形成向量。此外,为了降低RMG方法的复杂度,设计了一种智能元素块坐标下降方法。仿真结果验证了所提算法的有效性,并且表明通过优化设计反射系数,IRS可显著提高无线网络的频谱效率。

典型成像模式下非视域成像重建算法研究现状

非视域(Non-Line-of-Sight,NLoS)成像是近年来发展起来的一项新兴技术,其通过分析成像场景中的中介面信息来重建隐藏场景,实现了“拐弯成像”的效果,在多个领域有巨大的应用价值。本文主要针对NLoS成像重建算法进行综述性研究。考虑到目前NLoS成像分类存在交叉和非独立现象,本文基于物理成像模式和算法模型的不同特点,对其进行了独立的重新分类。根据提出的分类标准分别对传统和基于深度学习的NLoS成像重建算法进行了归纳总结,对代表性算法的发展现状进行了概述,推导了典型方法的实现原理,并对比了传统重建方法和基于深度学习的NLoS成像重建算法的重建应用结果。总结了NLoS成像目前存在的挑战和未来的发展方向。该研究对不同类型的NLoS成像进行了较为全面的梳理,对NLoS成像重建算法在内的一系列研究的进一步发展有着一定的支撑和推动作用。

基于目标轮廓自动校正的激光反射层析成像投影配准方法

激光反射层析成像(Laser Reflective Tomography Imaging,LRTI)技术具有分辨率与距离无关的特点,在空间目标遥感中具有广阔的应用前景。在目标图像重构之前,多角度回波投影数据需要与目标旋转中心对齐,这就是投影配准技术。本文提出了一种基于目标轮廓自动校正的投影配准方法,实验结果表明,该方法易于实现对简单目标旋转中心的自配准,能有效减少激光脉冲发射和探测器接收的随机抖动等造成的干扰,解决了图像模糊的问题,是一种LRTI多角度回波配准的新思路。

代数迭代法在激光反射断层成像目标重构中的应用

为了提高激光反射断层成像目标重构的图像质量,在目前激光反射断层成像普遍采用反投影算法重构图像的基础上,将CT成像中常用的迭代重建算法引入到激光反射断层成像的图像重构过程中。分析了反投影算法中的直接反投影、R-L和S-L滤波反投影以及迭代重建算法在图像重构中的性能特性。进行了仿真和外场实验,结果表明:在直接反投影基础上添加了滤波器的反投影算法在减小误差和抑噪能力上都明显提高;另外相比于反投影算法,代数迭代重建算法表现出更好的重建质量,且具有更强的抑噪性能。

激光反射层析成像相位恢复算法研究

针对激光反射层析成像中目标随机抖动与径向运动造成的投影中心失配问题,提出采用相位恢复算法对重构图像进行相位恢复重建,通过反复光强迭代消除目标随机运动造成的相位误差,达到减少重构误差、恢复目标图像的目的。为改进G-S算法收敛速度与恢复精度,提出频域模值加权方法进行投影数据相位迭代恢复,仿真实验表明,将算法收敛速度与收敛精度提高了1.2倍以上。通过对三组仿真实验处理,重构图像的平均相对均方误差由2.487 5下降到0.792 7,有效地恢复了目标图像轮廓。外场实验表明,该算法能够有效消除重构图像伪迹,改善激光反射层析成像系统成像质量。

激光反射层析成像技术的研究进展

激光反射层析成像技术是一种通过不同角度下激光在物体深度方向的一维时间流信号积分重建目标二维轮廓图像的远距离成像技术,其重建图像的空间分辨率只与探测器的带宽、激光的脉冲宽度和噪声有关,与作用距离、光学接收孔径无关,是现阶段实现远距离空间目标探测的最可行手段。介绍了激光反射层析成像的基础理论问题、投影数据处理方法、图像重建算法、探测成像实验系统以及成像实验研究等问题,总结和对比了国内外的研究进展,探讨了需要重点解决的问题,并展望了激光反射层析成像技术未来的研究方向。

基于改进模糊AHP法的海上装备受复杂电磁环境影响评估

从海上信息作战的态势分析感知和行动指挥决策的定量分析需求出发,提出了一种基于改进模糊AHP法的海上装备受复杂电磁环境影响的评估方法。首先,分析了海战场电磁环境的“四域”特征,并根据分析的特征结论和指标体系构建原则,建立了海上装备受电磁频谱影响的通用评估指标和不同种类装备的特定评估指标两类评估指标体系;随后,使用蝙蝠算法对传统模糊AHP法进行改进,能够一定程度上避免指标权重确定过程中的误差和主观性,并使用所提方法对装备受复杂电磁环境影响评估问题进行求解;最后,设计了某次海上演习行动,对其进行评估和分析,表明了模型的有效性,得出了海上作战过程中的指挥决策应遵循的建议和要求。

干燥方法对人工制备生物气溶胶消光性能的影响

通过建立具有丰富结构细节的生物颗粒形态模型,利用Kramers-Kronig算法、离散偶极子近似方法和蒙特卡罗算法计算了冷冻干燥和热风烘干两种干燥方法对BB0819生物气溶胶消光性能的影响,并通过傅里叶变换和红外光谱方法分析了由两种干燥方法所得孢子形成的生物气溶胶内部组成和蛋白质结构的差异,进一步解释了消光性能变化的原因。通过气溶胶室实验证明了仿真结果的可靠性,实验结果显示:在中红外波段,选用冷冻干燥孢子所形成的生物气溶胶可在3 min内将平均透过率从11.95%降至9.14%;在远红外波段,选用热风烘干孢子所形成的生物气溶胶可在3 min内将平均透过率从34.38%降至26.03%。研究结果阐明了干燥方法对人工制备生物气溶胶消光性能的影响,为在制备过程中提升生物气溶胶消光性能提供了有效参考。

低信噪比条件下光子探测回波信息恢复方法研究

受光子探测概率和探测器死时间的影响,多次累积得到的光子探测概率分布信号相对于真实目标回波信号往往会产生畸变,影响准确目标信息的提取。为此开展低信噪比条件下光子探测回波信息恢复方法研究,基于光子探测回波模型,提出基于局部退火的目标回波粒子群优化算法。仿真结果表明,不同信噪比条件下目标回波信号恢复性能的稳定性较好,在仿真条件下,算法得到的回波信号与真实回波信号的差异度控制在0.005以下,测距误差保持在3.4 cm以下。实验结果表明,该算法也能较好地恢复纵深目标信息,得到的目标纵深距离信息误差为3.45 cm。

基于波形分解的激光反射层析成像优化方法

激光反射层析成像技术作为一种新型远距离、高精度的空间目标探测方法,在信噪比足够时具有成像分辨率与探测距离、接收口径相对无关的优势,在远距离空间探测领域的应用前景非常广阔,使得作为激光反射层析成像核心的成像优化方法更是成为了众多研究者关注的焦点。本文提出了一种基于波形分解方法的激光反射层析成像优化方法,该方法旨在通过波形分解方法抑制激光反射层析成像重构图像中的伪影和噪声,实现对激光反射层析成像结果的优化。实验结果表明,在使用同一组投影数据的情况下,优化前后的峰值信噪比分别为16.5和17.8,基于波形分解的激光反射层析成像优化方法能够有效提升重构图像的质量,并能够较好地消除重构图像中绝大部分环状伪影和噪声所带来的影响。

扩展目标光子测距回波特性及误差研究

光子测距具有灵敏度高,探测距离远的特点,目标形状和姿态对光子测距的影响不可忽略。针对扩展平面、球面和非球面三种典型目标,建立了扩展目标光子探测回波概率分布模型,推导出不同倾斜角下混有时空分布的光子回波概率分布一般方程。实验表明,扩展平面的光子回波概率分布与数值计算结果一致。理论仿真分析了扩展目标的光子回波概率分布特性,讨论了光子测距误差与扩展目标类型和倾斜角间的变化规律。结果表明:平均回波光子数为3.9,目标处激光光斑半径为0.2m,倾斜角小于20°时不同扩展目标间的光子测距误差小于1.23mm;光子测距误差随着目标倾斜角的增大逐渐增大,且扩展平面目标测距误差受倾斜角影响最大。

激光反射断层成像目标的重构建模仿真

提出了一种基于激光束边界面的快速求交算法。基于激光雷达信号的时空分布特性,推算出了探测目标对信号的响应函数,建立了二者的作用过程模型,构建了基于激光反射断层成像的目标重构仿真系统。利用采样间隔和探测角度对重构图像质量的影响,进行了两组对比仿真实验,在不同条件下运用滤波反投影算法实现了目标二维轮廓的图像重构。

空中运动目标光子探测回波的俯仰姿态敏感规律研究

光子探测技术是研究远小运动目标的有效手段,光子回波受目标在运动过程中姿态变化的影响较大。为了描述空中目标姿态变化过程中光子探测回波的姿态敏感规律,基于海灵格距离和Canberra距离理论,定义了光子回波的姿态影响水平,并将其作为影响不同目标光子探测识别性能的定量分析工具。对三种空中目标在一定姿态变化范围内的光子探测回波波形差异度进行仿真研究,分析其变化规律以及目标间的差异,并用两个飞机模型进行了实验验证。结果表明:不同目标的光子回波姿态影响水平具有稳定的特征和明显差异,说明利用光子回波波形的姿态影响水平来区分不同的空中运动目标具有一定的可行性,其统计特征的姿态影响水平可以用于对结论进行进一步验证,并在细节之处加以补充.