[发明专利]基于光子计数的三维图像信噪分离和混合正则化重构方法

说明书

为了解决采用光子计数探测器的三维成像激光雷达在强噪声环境下工作性能下降的技术问题，本发明提供了一种基于光子计数的三维图像信噪分离和混合正则化重构方法，采用滑动时间窗法确定每一个像素上的信号聚类集，并滤除信号聚类集时间窗口以外的噪声计数；若某像素上既没有信号计数也没有噪声计数时，借用邻域像素上的计数信息，用空间累积来代替时间累积过程构造超像素，之后再次采用滑动时间窗口法滤除噪声；最后，利用结合全变分正则项、小波正则项和轮廓波正则项的混合正则化方法对初步滤噪图像进行再次处理，最终得到高质量的三维图像。本发明在强背景噪声情况下，能有效地将信号光子从噪声中分离出来，实现目标三维图像的快速精确重构。

技术领域

本发明涉及一种基于光子计数的三维图像信噪分离和混合正则化重构方法，适用于光子计数三维成像激光雷达系统。

背景技术

激光雷达是一种能够精确、快速获取目标三维空间信息的主动式雷达探测系统，基本原理是采用激光器发射高重复频率的激光脉冲至待测目标，经过待测目标反射后，对返回的回波光信号经过光电转换、飞行时间测量得到目标反射率信息和距离信息，在国防和民用等领域都具有广泛应用。

传统三维成像激光雷达所采用的探测器，一般是工作于线性模式的雪崩光电二极管光电探测器，但线性模式下工作的雪崩光电二极管不能最有效地利用待测目标返回的回波光信号的能量，从而限制了激光雷达的工作距离。

近年来，基于光子计数探测器的激光雷达受到广泛关注，采用光子计数探测器的三维成像激光雷达可以响应单光子能量水平的目标回波，从而充分利用激光回波中的光子能量，极大地提高探测灵敏度，使得系统激光能量需求更低、探测距离更远。然而，采用光子计数体制后，在提高探测灵敏度的同时，也带来了源于光子粒子性的量子噪声，以及探测器暗计数和背景光的噪声影响。特别是在实际低信杂比(信号与杂散噪声计数速率之比)情况下，光子计数三维成像技术的缺点尤为凸显：为了抑制回波光子探测过程中固有的泊松噪声，每个像素需要累积成百上千个光子信号，才能形成准确的回波光子直方图，导致成像时间成本极大增加。

因此，在强背景噪声情况下，有效地将信号光子从噪声中分离出来，并实现目标三维图像的快速精确重构是光子计数体制激光雷达亟须解决的关键技术之一。

发明内容

基于上述背景技术，为了解决采用光子计数探测器的三维成像激光雷达在强噪声环境下工作性能下降的技术问题，本发明提供了一种基于光子计数的三维图像信噪分离和混合正则化重构方法，在强背景噪声情况下，能有效地将信号光子从噪声中分离出来，实现目标三维图像的快速精确重构。

本发明的技术解决方案为：

一种基于光子计数的三维图像信噪分离和混合正则化重构方法，步骤如下：

1)逐像素从原始数据中提取数据；

2)判断当前待处理的像素是否为空白像素，若是，执行步骤5)；若否，执行步骤3)；

3)单像素信号噪声分离：

3.1)设定时间窗宽度T_w和信号聚类集最小尺寸N_c，定义聚类集V{T_w，N_c}；

3.2)采用滑动时间窗法自适应地确定当前像素上的所有聚类集；

3.3)在步骤3.2)中选取尺寸最大的聚类集作为信号聚类集；

3.4)判断信号聚类集尺寸是否大于N_c，若是，执行步骤3.5)；若否，则置该像素为空集，待后续采用正则化算法进行重构；

3.5)保留信号聚类集内的信号光子，滤除信号聚类集外的噪声光子，完成单像素信号噪声分离；