[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

说明书

本发明公开了一种基于点云模型的激光非视域三维成像场景建模方法。该方法包括以下步骤：首先设定非视域场景空间参数、成像系统参数及成像指标参数，确定指定的扫描点对点云目标的可见区域；其次利用空间体素将可见区域点云分割成若干个微点云，并检测其角点形成微面元，估计各微面元的面积、形心和表面法线，再结合成像系统参数建立信号从激光器发出经过三次漫反射，被探测器接收的能量传输模型，得到回波能量和回波光子分布直方图；最后设置不同的扫描点，重复以上步骤得到多幅回波信号的光子分布直方图。该建模方法首次模拟了信号从激光器发出、经过中介面和具有三维特征的点云目标的三次漫反射、最后被探测和计数的过程。

技术领域

本发明涉及光电成像技术领域，特别涉及激光非视域成像领域，具体地说是一种基于时间相关光子计数的激光非视域三维成像场景建模方法。

背景技术

激光非视域成像技术是一种能够绕过遮挡、对视线以外区域的目标进行成像的新型成像技术，具有很好的应用前景。发展实时、高质量的非视域成像技术可以应用于驾驶辅助，有效预防交通事故，在自动驾驶中有助于危险规避，还可以在灾难救援中用于定位被困人员，未来发展更高精度的非视域成像技术还可能用于古迹发掘以及医学诊疗等领域；在这些应用场景中，成像目标所在的空间(非视域空间)往往被遮挡物遮挡，以致成像目标在观察者可视范围之外，传统的成像方法对此束手无策。激光非视域成像技术通过探测多次反射后的光脉冲回波信号，用反演算法对盲区目标进行成像。

与激光雷达三维成像的单次漫反射不同，激光非视域成像从脉冲信号发出到信号采集的过程经历三次漫反射，传输过程更加复杂。此外非视域成像技术中包含的成像系统、中介扫描面、场景空间大小、成像指标等都是多参数对象，使得其信号传输过程难以描述，各器件的参数、场景参数以及成像指标难以把握，使得前期系统建模和仿真困难，进一步增加了系统的开发难度。

激光非视域成像平台一般包括脉冲激光器、位于脉冲激光器输出端的发射光学系统、位于发射光学系统后端的扫描系统、接收光学系统及光子计数器等。在搭建激光非视域成像平台时，评估脉冲激光器功率、波长、脉宽和重复频率及光子计数器的时间分辨率等系统参数对回波信号的影响是器件选型之前的重要工作内容之一；未来发展远距离、大范围的非视域成像技术需要完成不同的成像距离和不同大小的成像空间与系统器件以及反演算法之间的匹配。目前，为了方便建模，一般采用的目标模型非常简单，比如设置目标模型是简单的平面目标(不具有三维特征)，而且要求平面目标平行于中介扫描面，这种方法有很多局限性，无法用于评估参数，也不能用于验证反演算法。

综上所述，建立一个描述脉冲信号从激光器发出，与中介扫描面和非视域目标发生三次漫反射，最后被探测器收集和光子计数器计数整个过程的模型在系统的前期开发、性能预测、参数优化以及反演算法验证和样本数据生成等方面显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于点云模型的激光非视域三维成像场景建模方法，以解决激光非视域三维成像技术中由于场景复杂、信号传输过程难以描述造成的系统开发难度大等问题。

本发明所描述的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；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分布；

1.1)包括：激光脉冲的半高全宽(Full Width at Half Maxima，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：