增益调制成像激光雷达弱信号检测的研究

摘要

增益调制三维无扫描成像激光雷达是一种结合了阵列成像、距离选通、增益调幅和脉冲测距的新体制成像激光雷达。系统采用目前十分成熟的阵列器件ICCD作为探测器,能够在一个脉冲周期内对目标同时成两幅强度像,数据后处理运算速度快,能够满足高帧频成像的要求,在未来成像激光雷达的发展中潜力很大。然而,增益调制型三维无扫描成像激光雷达在远距离弱信号条件下的成像结果受噪声干扰十分严重,测距误差较大。本论文在研究系统噪声干扰及其特点的基础上,针对性地提出了相应的图像处理算法,以达到抑制噪声提高系统测距精度的目的。
　　本文首先对三维无扫描增益成像激光雷达的基本工作原理进行分析。在此基础上研究了增益调制状态下ICCD各个部分的噪声及其随机特性,并得出远距离弱信号条件下图像噪声与信噪比的关系。理论计算表明,只有同时提高两幅增益像的信噪比才能够最有效的提高系统测距精度。
　　为了降低背景噪声干扰,本文对增益强度像噪声阈值的分割处理进行了理论和实验研究。先通过自适应阈值分割处理算法将增益像中的目标和背景分割,然后对增益像目标区域的像素点进行双阈值化处理研究,得出了测距误差最小时最佳阈值。经过最佳阈值处理后,系统对两座建筑物目标的测距误差分别减小了58％和62%。本文定义了距离像的误判率函数来描述阈值化过程中信号与噪声之间发生误判的概率,并通过实验结果得到了误判率最低时的双阈值。
　　为了提高增益像的信噪比,本文对增益强度像噪声涨落特性以及相应的噪声抑制算法进行了理论和实验研究。分析了远距离弱信号条件下增益调制激光雷达图像中信号与噪声的特点,并对两幅增益像中背景噪声涨落的差异性进行了研究。在高增益(g?V22026)的情况下,指数增益像背景噪声的累积效率只是常数增益像的45%。本文对像素合并算法进行了理论和实验研究,通过定义像素合并效率来描述像素合并算法对噪声的抑制程度。对增益像的处理的统计结果表明,像素合并算法能够将距离像的测距误差降低45%,距离像的合并效率为34%。此外,本文还对MeanShift算法进行了自适应化改进,并将其应用于增益像的处理。统计结果表明,经过MeanShift算法处理后,距离像在目标特征区域的测距误差降低了50%以上。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪论

1.1课题研究的背景和意义

1.2基于新型器件的三维无扫描成像激光雷达的发展现状

1.3基于ICCD的三维无扫描成像激光雷达的发展现状

1.4论文的主要研究内容

第2章 三维无扫描增益调制成像激光雷达基本原理

2.1引言

2.2增益调制成像激光雷达的基本原理

2.3 远距离弱信号条件下系统的噪声分析

2.4增益调制成像激光雷达的测距误差

2.5 本章小结

第3章 增益调制激光雷达强度像噪声阈值的研究

3.1引言

3.2自适应阈值分割处理算法的研究

3.3目标区域的双阈值处理算法研究

3.4增益调制成像激光雷达成像实验及算法研究

3.5 本章小结

第4章 增益调制激光雷达强度像噪声涨落的研究

4.1 引言

4.2远距离弱信号条件下增益调制激光雷达图像的特点

4.3像素合并算法的研究

4.4 Mean Shift算法的研究

4.5增益益调制成像激光雷达成像实验及算法研究

4.6本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

声明

致谢