本發(fā)明涉及單光子激光雷達成像領(lǐng)域，尤其是單光子激光雷達的深度成像方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、激光雷達作為一種主動探測技術(shù)，能夠快速而精確地獲取目標(biāo)的三維空間信息，在衛(wèi)星測距、智能駕駛、三維成像、大氣檢測、醫(yī)療檢測等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。與被動式光學(xué)成像技術(shù)相比，主動式光學(xué)成像利用系統(tǒng)自身提供的照明來探測場景目標(biāo)物體，不受環(huán)境光照影響，因此在暗弱目標(biāo)的探測方面具有顯著優(yōu)勢。單光子探測器具備高度敏感的光子探測能力，與高時間分辨率的時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器和時間相關(guān)單光子計數(shù)技術(shù)相結(jié)合，能夠在激光回波非常微弱的條件下獲取目標(biāo)的距離信息。

2、在單光子激光雷達系統(tǒng)中，針對成像場景目標(biāo)物體中的每個像素，系統(tǒng)通過記錄在照射時間內(nèi)接收到的一定數(shù)量的回波信號，構(gòu)建光子檢測時間的直方圖。這個直方圖的幅度與目標(biāo)的反射率相關(guān)，而直方圖峰值對應(yīng)的時間則與目標(biāo)物體的深度相關(guān)。隨著信號采集時間的增長，所記錄的光子數(shù)量增加，每個像素的飛行時間與光子計數(shù)直方圖變得更加精細，從而可以獲得更準確的深度和反射率估計。大量的激光雷達數(shù)據(jù)對設(shè)備的存儲和計算能力提出了更高要求。然而，在許多場景情況下，目標(biāo)物體返回的信號非常微弱，光子數(shù)量較少，無法支持構(gòu)建飛行時間與光子計數(shù)直方圖，并且在噪聲的干擾下，使得深度成像的誤差增大，成像效果變差。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：本發(fā)明的目的是提供一種單光子激光雷達的深度成像方法及系統(tǒng)，解決在光子數(shù)量較少且存在噪聲干擾情況下的成像問題，實現(xiàn)弱光情況下的高精度深度成像。

2、技術(shù)方案：本發(fā)明所述的單光子激光雷達的深度成像方法，包括如下步驟：

3、根據(jù)單光子激光雷達獲取目標(biāo)物體每個像素處的光子個數(shù)和光子飛行時間；

4、根據(jù)目標(biāo)物體每個像素處的光子計數(shù)分布及噪聲建立正則化去噪模型；所述正則化去噪模型在光子概率分布的損失函數(shù)中加入各向同性全變分和各向異性全變分；

5、利用所述正則化去噪模型計算目標(biāo)物體的反射率估計值；

6、對缺少光子飛行時間的像素進行補零，根據(jù)所述反射率估計值判斷探測到的光子為信號光子或噪聲光子，保留信號光子；

7、對于信號光子，利用所述正則化去噪模型計算目標(biāo)物體的深度估計值，恢復(fù)出深度圖。

8、進一步地所述正則化去噪模型其中l(wèi)(u)為光子概率分布的損失函數(shù)，j(u)＝j(luò)ani(u)-τjiso(u)，jiso(u)和jani(u)分別代表各向同性全變分和各向異性全變分，τ為參數(shù)，u＝{α，d}，α為反射率，d為深度。

9、進一步地對缺少光子飛行時間的像素進行補零，根據(jù)所述反射率估計值判斷探測到的光子為信號光子或噪聲光子，保留信號光子包括：

10、對于目標(biāo)物體每個像素，計算該像素及其周圍若干像素的光子飛行時間中位數(shù)，對于無法計算中位數(shù)的像素，令其中位數(shù)為0，生成光子飛行時間的中位數(shù)圖像。

11、對于所述中位數(shù)圖像中的每個像素(i，j)，計算其到達時間與周圍p個像素點的到達時間的絕對差值，取前q個最小的絕對差值之和ri，j，若滿足以下條件則為信號光子，否則為噪聲光子；

12、

13、其中，tr是重復(fù)周期，是每個重復(fù)周期的總信號光子數(shù)，h(t)是激光脈沖，tp是脈沖信號寬度，b是每個重復(fù)周期的總噪聲計數(shù)，為反射率估計值。

14、進一步地，像素(i，j)處的第t個時間倉被探測到的光子si，j，t表示為：

15、

16、令ui，j＝{αi，j，di，j}，觀測到光子的概率分布為：

17、

18、對光子的概率分布取負對數(shù)似然，得到損失函數(shù)l(u)：

19、

20、其中，bi，j為像素(i，j)處的背景和暗計數(shù)，a是目標(biāo)物體的線性投影；αi，j為像素(i，j)處的反射率，di，j為像素(i，j)處的深度。

21、進一步地，通過交替乘子法求解所述正則化去噪模型。

22、本發(fā)明所述的單光子激光雷達的深度成像系統(tǒng)，包括：

23、激光探測單元，用于根據(jù)單光子激光雷達獲取目標(biāo)物體每個像素處的光子個數(shù)和光子飛行時間；

24、正則化去噪模型建立單元，用于根據(jù)目標(biāo)物體每個像素處的光子計數(shù)分布及噪聲建立正則化去噪模型；所述正則化去噪模型在光子概率分布的損失函數(shù)中加入各向同性全變分和各向異性全變分；

25、反射率估計單元，利用所述正則化去噪模型計算目標(biāo)物體的反射率估計值；

26、噪聲篩查單元，用于對缺少光子飛行時間的像素進行補零，根據(jù)所述反射率估計值判斷探測到的光子為信號光子或噪聲光子，保留信號光子；

27、深度估計單元，對于信號光子，利用所述正則化去噪模型計算目標(biāo)物體的深度估計值，恢復(fù)出深度圖。

28、本發(fā)明所述的單光子激光雷達系統(tǒng)，包括激光器、分束器、掃描振鏡和單光子探測器；

29、激光器發(fā)出光脈沖，光脈沖經(jīng)過分束器后，通過掃描振鏡照射并掃描目標(biāo)物體；光脈沖被目標(biāo)物體反射，反射光經(jīng)過掃描振鏡后被單光子探測器接收，進行光子探測，得到目標(biāo)物體每個像素處的光子個數(shù)和光子飛行時間；利用所述單光子激光雷達的深度成像方法得到目標(biāo)物體的深度圖。

30、本發(fā)明所述的電子設(shè)備，包括存儲器、處理器及存儲在存儲器上并可在處理器上運行的計算機程序，所述計算機程序被加載至處理器時實現(xiàn)所述的單光子激光雷達的深度成像方法。

31、本發(fā)明所述的計算機可讀存儲介質(zhì)存儲有計算機程序，所述計算機程序被處理器執(zhí)行時實現(xiàn)所述的單光子激光雷達的深度成像方法。

32、有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：(1)本發(fā)明構(gòu)建加權(quán)各向異性和各向同性正則化的最優(yōu)化函數(shù)模型，在平滑圖像的同時保留物體的邊緣；(2)本發(fā)明通過將物體的反射率與空間相關(guān)性相結(jié)合，對單光子激光雷達數(shù)據(jù)進行去噪處理，降低像素數(shù)據(jù)缺失和噪聲對深度估計的影響。綜上，本發(fā)明通過對單光子激光雷達數(shù)據(jù)進行去噪處理，采用加權(quán)各向異性和各向同性正則化進行重建，能在光子數(shù)較少且存在噪聲干擾的情況下，高效高質(zhì)量地進行深度重建。

技術(shù)特征：

1.一種單光子激光雷達的深度成像方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單光子激光雷達的深度成像方法，其特征在于，所述正則化去噪模型其中l(wèi)(u)為光子概率分布的損失函數(shù)，j(u)＝j(luò)ani(u)-τjiso(u)，jiso(u)和jani(u)分別代表各向同性全變分和各向異性全變分，τ為參數(shù)，u＝{α,d}，α為反射率，d為深度。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單光子激光雷達的深度成像方法，其特征在于，對缺少光子飛行時間的像素進行補零，根據(jù)所述反射率估計值判斷探測到的光子為信號光子或噪聲光子，保留信號光子包括：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的單光子激光雷達的深度成像方法，其特征在于，對缺少光子飛行時間的像素進行補零，根據(jù)所述反射率估計值判斷探測到的光子為信號光子或噪聲光子，保留信號光子包括：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單光子激光雷達的深度成像方法，其特征在于，像素(i,j)處的第t個時間倉被探測到的光子si,j,t表示為：

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單光子激光雷達的深度成像方法，其特征在于，通過交替乘子法求解所述正則化去噪模型。

7.一種單光子激光雷達的深度成像系統(tǒng)，其特征在于，包括：

8.一種單光子激光雷達系統(tǒng)，其特征在于，包括激光器、分束器、掃描振鏡和單光子探測器；

9.一種電子設(shè)備，包括存儲器、處理器及存儲在存儲器上并可在處理器上運行的計算機程序，其特征在于，所述計算機程序被加載至處理器時實現(xiàn)根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項所述的單光子激光雷達的深度成像方法。

10.一種計算機可讀存儲介質(zhì)，所述計算機可讀存儲介質(zhì)存儲有計算機程序，其特征在于，所述計算機程序被處理器執(zhí)行時實現(xiàn)根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項所述的單光子激光雷達的深度成像方法。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種單光子激光雷達的深度成像方法及系統(tǒng)，該方法根據(jù)目標(biāo)物體每個像素處的光子計數(shù)分布及噪聲建立基于各向同性全變分和各向異性全變分的正則化去噪模型，計算目標(biāo)物體的反射率估計值，對缺少光子飛行時間的像素進行補零并剔除噪聲光子，對剔除噪聲的信號光子利用正則化去噪模型計算目標(biāo)物體的深度估計值，恢復(fù)出深度圖，實現(xiàn)三維重建。本發(fā)明能夠在光子數(shù)較少且存在噪聲干擾的情況下，高效高質(zhì)量地進行深度重建。

技術(shù)研發(fā)人員：李劍,曹璐,冷雨軒,王琴
受保護的技術(shù)使用者：南京郵電大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/30