光子计数三维成像激光雷达距离图像去噪算法的研究(2)
4.2.2 实验结果分析 30
4.3 总结 31
结论 32
致谢 33
参考文献 34
1 绪论
1.1 研究背景与选题意义
1.1.1 激光雷达的应用
激光雷达[1]通过接收目标反射的激光回波来得到并分析有关目标的距离、速度、表面特征等其他信息的主动探测技术的目标探测系统。相对于微波波段的雷达技术，具有高距离分辨率、高角度分辨率和小发散角等优点，已被广泛应用于军事和民用等各种领域。
得益于探测器、信号分析、激光器等多种技术的发展，激光雷达技术自从问世以来发展迅速。在军事领域中，激光雷达技术可以用于进行目标的探测、识别、定位、跟踪以及武器制导等等。在民用领域中，激光雷达技术已初步的实现了商业化，比如道路车速的实时监控、城市三文地图的绘制、汽车防撞等。[2,3,4,5,6]激光雷达可以对辐射导弹或者隐身目标来进行定位和打击，因为他是一种高灵敏度的探测系统。但是由于目前高灵敏探测器件条件的制约，高精度远距离三文成像效果没有达到理想水准，而且在相关信号分析处理方法方面仍然有一定的缺陷。
1.1.2 时间相关单光子计数型激光雷达
（Time Correlated Single Photon Counting Technology, TCSPC）[7]时间相关单光子计数技术是发展自单光子探测技术，相关的理论目前早已完备。时间相关单光子计数型的激光雷达集合了时间相关单光子计数型技术和激光雷达的优势，实现了高精度、低功耗有关目标的三文信息快速获取。
由于目标信号强度相当微弱，以至于所能探测到的概率远远小于1 ，于是便提出基于统计采样信号的探测和处理办法，通过统计大量高重频信号来减小随机误差，也就是时间相关单光子计数技术。TCSPC技术在诸如光子迁移、生物体荧光探测[8]等多个非常重要的领域有着相当广泛的应用。目前来看，无论从实际三文信息的获取手段还是激光雷达发展趋势来看，进项TCSPC激光雷达系统研究、分析和性能的不断改善毫无疑问是一项意义极其重大的课题。
1.2 时间相关单光子计数型激光雷达系统原理
目前，已经有多个国家开始研制大量不同类型激光雷达，在激光雷达的理论、系统以及算法上进行了深入的研究，例如机载激光雷达[9]、生物/化学战剂探测激光雷达[10]。由此可见，激光雷达所带有的优异性能早已引起了多个国家的重视。
1961年，首次提出了时间相关单光子计数技术[11,12,13]，很快就被应用在多个领域，该技术具有高时间分辨率、高灵敏性等特性。直到1998年，在英国诞生了第一台时间相关单光子计数型激光雷达的实验样机，得到了迅速的发展。国内对这类研究虽然取得了一定的进展，但是由于起步相对较晚，在关键技术的方面存在着许多不足，与国外的同行存在着相当的差距。
2001年，A.M.Wallace,G.S.Buller等在单点测量系统基础上，研制出了三文成像系统。从所公布的数据上看来，纵向距离13m位置的横向分辨率可以达到400μm[14]，该系统所采用激光的光源对人体没有危害。在之后的几年，研究团队继续研制尝试了许多不同类型时间相关单光子计数型激光雷达，都取得了优异的研究成果。2005年，这个团队公开了一组照片，利用弱激光的光源对325m处非合作目标进行了高分辨率成像，由此使得时间相关光子计数技术于激光雷达领域里的价值得到了很好的证实[15]。
1.3 本论文的主要研究重点
主动式三文成像激光雷达系统主要是通过长时间采样积分、逐点扫描生成光子计数直方图的方式，获取目标的三文结构和距离等信息；由于单光子探测过程中固有泊松噪声或散粒噪声的影响，包括背景光噪声和暗电流噪声等，即使利用单光子探测器，每个像素点的采样积分时间也需要足够长，以探测到10^3~10^6个光子，以准确估计目标场景的三文结构和距离等信息。本文主要研究光子计数三文成像激光雷达距离图像去噪算法，主要围绕以下几个方面展开：
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