[发明专利]一种基于点云模型的激光非视域三维成像场景建模方法

权利要求书

1.一种基于点云模型的激光非视域三维成像场景建模方法，其中激光非视域三维成像场景包括激光非视域三维成像系统及非视域场景，其中非视域场景内包括扫描中介面、遮挡物及点云目标，此处的点云目标即为隐藏目标的点云模型，点云目标被置于非视域空间中；

其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、根据激光非视域三维成像系统预设相关参数，计算激光单脉冲高斯能量概率分布；

1.1)预设激光脉冲的半高全宽FWHM，TCSPC时间分辨率Δt，单脉冲时长T_s；

1.2)计算激光单脉冲高斯能量分布：

其中

式中，t为时间；TCSPC以皮秒级的时间分辨率对回波信号进行光子计数，将激光单脉冲高斯能量分布表达成序列形式：

式中，j为脉冲激光器单脉冲时间间隔序列，[*]表示对“*”取整加1，即j的序列长度m是单脉冲时长T_s与TCSPC时间分辨率Δt的比值取整加1；对激光单脉冲高斯能量分布进行归一化处理，得到对应的激光单脉冲高斯能量的概率分布序列：

步骤二、设置非视域场景坐标系和初始扫描点；

设置非视域场景坐标系的XOY平面在中介扫描面上，即扫描点的深度坐标Z＝0；Z轴垂直于中介扫描面指向点云目标，与X、Y轴呈右手坐标系；设定初始扫描点为扫描区域的基准点，其坐标为(X₁，Y₁，0)；

步骤三、确定当前扫描点作为点光源时，点亮点云目标的区域，将该区域定义为可见区域；

步骤四、预设非视域空间参数，用空间体素将可见区域的点云进行分割成微点云，检测角点并将其连接形成微面元，估计微面元参数；

4.1)预设非视域空间长度L_X、宽度L_Y及深度L_Z，划分非视域空间的空间体素数目为N×N×N；

4.2)空间体素将非视域空间划分为N³个体素网格，每个体素网格代表一个三维空间中的坐标区间，根据可见区域点云的坐标数据将可见区域的点与体素网格一一匹配，点云目标表面的可见区域即被分割成为若干微点云，每个微点云包含数量不一的点；

4.3)对于每个微点云，计算其包含的所有点的坐标均值，作为微点云的中心，微点云边界由体素网格的各个面围成，其角点是距离体素网格的边最近的点，且该距离小于两相邻点之间的距离，由此检测每个体素网格各边周围是否有对应的角点；完成检测后将角点连接形成微面元并估计微面元的面积和表面法线；

步骤五、根据激光非视域三维成像系统预设相关参数，计算单一微面元的单脉冲回波光子分布；

5.1)预设脉冲激光器位置坐标(X，Y，Z)，平均功率P，波长λ、脉冲重复频率PRF，发射光学系统传输效率η₁，接收光学系统传输效率η₂，接收孔径面积S_孔，单光子探测器填充因子γ，探测器量子效率σ；

5.2)将初始扫描点(X₁，Y₁，0)作为第一次漫反射的点光源，根据脉冲激光器平均功率P计算出射激光在该扫描点处产生的辐射强度为I₁；

5.3)假设该扫描点(X₁，Y₁，0)对点云目标的可见区域经体素网格划分并检测角点之后形成n个微面元，选取任一微面元i(i＝1，2...n)，根据出射激光在该扫描点处产生的辐射强度I₁计算在微面元i的中心处产生的辐射功率E_1i；其中n为大于2的正整数；

5.4)将微面元i作为第二次漫反射的小面源，根据朗伯小面源辐射特性计算光学接收系统对应在扫描中介面上的有效接受面积内产生的辐射照度M_1i和光学接收系统对应在扫描中介面上有效接受面积的光功率W_1i；

5.5)将扫描中介面上光学系统有效接收面作为第三次漫反射的小面源，根据W_1i计算光学接收系统的接收物镜内接收的光功率P_1i；

5.6)计算微面元i对应的单脉冲回波光子数：

其中h、c分别为普朗克常数和光速；

5.7)将步骤一获得的激光单脉冲高斯能量概率分布序列与微面元i对应的单脉冲回波光子数相乘得到该微面元i的单脉冲回波光子分布序列，用下式表示：

h_1i＝N_1i·P(j)；

步骤六、计算整个可见区域内所有微面元的单脉冲回波光子分布序列；

6.1)计算该微面元i对应的飞行时间：

其中，l₁为激光器到扫描点的路径长度，l_1i为微面元i中心到扫描点的路径长度，c表示光速；2·(l₁+l_1i)表示微面元i反射回波的三次漫反射光路路径长度，其单脉冲回波信号触发探测器的时间对应在光子计数模块的时间箱为：

6.2)微面元i的单脉冲回波光子分布序列在光子计数模块TCSPC的时间轴上用下式表示：

H_1i＝N_1i·P(j-T_1i)；

6.3)对于初始扫描点(X₁，Y₁，0)，计算所有微面元的回波信号并在时间轴上叠加即为可见区域内所有点云的单脉冲回波信号：

步骤七、预设成像指标参数，计算单扫描点对应的回波光子分布直方序列；

7.1)预设成像速率S帧/秒，成像分辨率M×M，

7.2)采用下式计算单点扫描累积脉冲数：

7.3)计算该扫描点(X₁，Y₁，0)对应的回波光子分布直方序列Q₁；

Q₁＝R·q₁；

步骤八、预设背景噪声相关参数，计算回波中的噪声分布序列；

8.1)预设环境中波长为λ的杂散光背景辐射照度I_Q，门控时间T_gate；

8.2)计算在一个时间分辨率内探测器中收集的噪声光子数：

8.3)计算门控时间内对应的时间箱数对应环境噪声序列为：

Noise＝n_noise·E；

其中，E表示1×N_gate的行向量，其元素全为1；

8.4)将噪声光子数加上回波光子分布直方序列Q₁，得到扫描点(X₁，Y₁，0)对应的理论回波光子分布序列sig₁；

sig₁＝Noise+Q₁；

8.5)探测器对回波信号的采集是一个参数为sig₁的泊松过程，即对于扫描点(X₁，Y₁，0)，最终获得的回波光子分布序列是一个随机序列SIG₁：

步骤九、设定下一扫描点，完成扫描，得到多幅回波光子分布序列；

9.1)预设扫描区域的长度l_X、宽度l_Y，根据扫描点数计算出中介扫描面上所有扫描点在非视域空间中的坐标；

9.2)选定下一扫描点，重复步骤三至步骤八，直至完成所有扫描。