本发明专利技术公开一种基于非合目标的投影中心对准方法，该方法结合分析现有合作目标的特征点跟踪算法，通过密集采样目标体激光回波，跟踪每个角度的投影回波峰值，再根据360°回波投影之间的几何关系导出旋转中心点的位置，并对求得的旋转中心点求期望矫正，再通过GS相位恢复算法进一步对准投影中心点。本发明专利技术的优点在于：它直接跟踪靶标投影回波的峰值点，无需在靶标上设置特定区域作为跟踪特征点，将激光反射层析成像技术的应用范围拓展到对非合目标的探测。
【技术实现步骤摘要】
:本专利技术涉及激光反射层析成像雷达技术，具体涉及一种，它用于靶标的激光投影图重建的旋转中心对准，且无须在靶标上设置特定区域作为特征点跟踪，直接应用于非合目标的廓像重构。
技术介绍
:反射层析(距离一强度)类似于CT反投影图像重建技术，其实质是使用纳秒窄脉冲激光照射物体，光脉冲被物体表面反射，物体不同视角的表面特性调制光脉冲的时间特性，从而改变激光回波的形状，获得围绕物体一周的平面内不同视角下的投影后，利用层析重构算法可以得到物体二维交叉截面的廓像，这种层析反映了该视轴方向下物体廓像的边缘信息，如图2反射层析激光雷达所示。和透射层析相反，反射层析重建的是目标外表面的轮廓信息，而不是物体内部结构信息。层析图像重构是将反射回波投影经卷积滤波和回抹得到的，图像某像素点强度信息是通过计算该点在360°范围内的反射回波强度累加而成。其前提是必须采用算法从投影信息中直接提取有用信息实现投影中心的有效自对准，投影图对准就是将不同角度下的旋转中心投影排列到一条直线上。为了获得靶标360°投影信息，靶标须围绕其质心做圆周运动，这样就会引入随机抖动，导致目标不同角度投影的旋转中心位置发生漂移。此外，系统不可避免会受到大气湍流扰动影响，激光通过这些大气漩涡时，光波的强度在空间和时间上都会呈现随机起伏，时间上的随机起伏会引起投影中心点的投影距离反应到时间上的不同程度延迟，在特征点跟踪配准时，投影中心点不在一条直线上，造成投影中心点失配，导致图像重构时出现严重错位扭曲现象，极大降级层析成像质量。现有的严毅等人的投影图对准方法虽然在粗对准后加入相位恢复迭代算法，实现了较高的投影图对准，改善了重构图像的质量，但使用该方法的前提是必须在靶标上设置某块区域的激光反射率和周边反射率有较大区别(即合作目标)，从而跟踪该区域的特征变化推导出旋转中心的位置。而实际应用中通常是对将激光反射层析成像技术应用于对未知物体图像特征的探测，极大限制了该技术的应用范围。最早提出激光反射层析成像技术的是1989年F.K.Knight等人(F.K.Knight, S.R.Kulkarnij R.M.Marino, and J.K.Parker.Tomographic Techniques Applied to LaserRadar Reflective Measurements[J]，The Lincoln Laboratory Journal.Volume2.Number2 (1989))，文中初步分析了反射和投射层析的区别，对距离精度、多普勒精度和角度一角度测量的激光反射层析成像重构方法做了理论分析。最早将相位恢复算法应用到反射层析成像激光雷达成像的是Stephen.D.Ford和Charles L.Matson (Stephen.D.Ford, Charles L.Matson.Projection Registration in Reflective Tomography[J].Part of the SPIE Conference on Digital image Recovery and SynthesisIV，1999，SPIE Vol.3815:189-198),但文章只是对透射层析投影进行了仿真模拟。2010年金晓峰等人提出将特征点跟踪应用于激光反射层析成像技术中(XiaofengJinjJianfeng Sun,Yi Yan et al.Feature tracking for projection registrationin laboratory-scale reflective tomography laser radar imaging[J].0pticsCommunication, 2010),但该偏文章仍然只是对合作目标的投影图重建。
技术实现思路
:本专利技术的目的在于提供一种基于非合目标的反射投影图中心对准方法，该方法可以大大拓展激光反射层析成像技术的应用范围，解决了目前该技术只能应用于实验时环境下对合作目标图像重构的问题，有利于激光反射层析成像雷达系统的实际应用。本专利技术的具体技术解决方案如下:一种，其特征在于该方法通过密集采样目标体激光回波，跟踪每个角度的回波投影峰值，再根据整个360°的投影回波之间的几何关系导出旋转中心点的位置，并对求得的投影中心点位置求期望矫正，减小因激光信号流积分带来的估计误差，通过GS相位恢复算法进一步对准，具体包括以下步骤:①纳秒激光器发出光脉冲，调节渐变衰减镜的衰减系数，通过调节扩束镜焦距调节光斑大小，如图1所示，使光斑正好完全覆盖住远处经反射布包裹的靶标；②以靶标质心为原点，靶标绕其质心自转，靶标、激光器和探测器三者组成的平面建立二维坐标系，将光脉冲初始照射靶标角度定义为奶，经目标轮廓调制后的投影回波定义为P(仍)，探测接收系统采集每个角度下的激光反射投影；③该步骤改进了文献(严毅，刘立人，孙建锋，周煜，金晓峰.反射投影成像投影图中心的对准方法[P].2011)中在靶标上设置特殊区域作为跟踪特征点的方法，将每角度下投影回波峰值点作为特征点跟踪，为了降低估计误差，密集采样投影回波信息，采样角度间隔小于0.5°的，设力卸。耙板旋转Δρ，探测角度变为巧=φ{+Αφ,激光器发出单纳秒脉冲照射靶标，探测采集系统记录响应投影回波，靶标再旋转Δρ角度，此时探测角度变为Cpi =^2 +Δ^=^ +2Δ^3，投影回波记为/)(?)，重复以上步骤，直至革巴标旋转一周，共采集得到N次反射投影信息p(只)，其中i=l、2、3……N ;④观察投影回波M奶)，提取每个投影的峰值点作为特征点，如图3所示，将激光回波特征点投影距离转化成时间的延迟量用△ Si表示，该步骤对严毅等人的处理方法进一步改进，不仅仅选取三组投影回波求旋转中心，而是将整个360°周期的N组投影的旋转中心投影排列在一条直线上，求出每角度下的投影中心点，再通过求期望的方法削弱因将峰值点作为跟踪的特征点引起的估计误差，得到初步对准的投影图奶)，粗对准的投影图是关于角度分布和光强的信息；⑤对约到外2fl展开的反射层析傅里叶切片理论对投影图M.s'# )，相当于初始相位分布估计，进行傅里叶变换，即可得到投影图在极坐标下的频域谱值矩阵G(u，V)，以下步骤使用GS相位恢复算法； ⑥提取G(u，v)的相位和模值部分，加入域限制条件Y，Y表示gk+1(x，y)与目标域(空间域)约束不符的点集，gk+1 (χ, y)是相位恢复迭代矩阵，迭代过程中，根据靶标特点，空间域约束是元素值非负约束。|G(u，v) 12表示靶标估计傅里叶域模值矩阵|G(u，v) I的频谱强度，对|G(u，v) I2做傅里叶逆变换，得到经相位恢复处理后的靶标旋转中心g(x，y)的自相关函数矩阵:本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种非合目标激光反射投影中心对准方法，其特征在于：该方法通过密集采样靶标激光回波，跟踪每个角度的回波投影峰值，根据360°整周期投影回波之间的几何关系导出旋转中心点的位置，对求得的旋转中心点求期望矫正，减小因激光信号流积分带来的估计误差，通过GS相位恢复算法进一步对准，具体步骤如下：①纳秒激光器发出光脉冲，调节渐变衰减镜的衰减系数，通过调节扩束镜焦距调节光斑大小，使光斑正好完全覆盖住远处经反射布包裹的靶标；②以靶标质心为原点，靶标绕其质心自转，靶标、激光器和探测器三者组成的平面建立二维坐标系，将光脉冲初始照射靶标角度定义为经目标轮廓调制后的投影回波定义为探测接收系统采集每个角度下的激光反射投影；③将每角度下投影回波峰值点作为特征点跟踪，为了降低估计误差，密集采样投影回波信息，采样角度间隔小于0.5°的，设为耙板旋转探测角度变为激光器发出单纳秒脉冲照射靶标，探测采集系统记录响应投影回波靶标再旋转角度，此时探测角度变为投影回波记为重复以上步骤，直至靶标旋转一周，共采集得到N次反射投影信息其中i=1、2、3……N；④观察投影回波提取每个投影的峰值点作为特征点，将激光回波特征点投影距离转化成时间的延迟量用ΔSi表示，将整个360°周期的N组投影的旋转中心投影排列在一条直线上，求出每角度下的投影中心点，再通过求期望的方法削弱因将峰值点作为跟踪的特征点引起的估计误差，得到初步对准的投影图粗对准的投影图是关于角度分布和光强的信息；⑤对到展开的反射层析傅里叶切片理论对投影图相当于初始相位分布估计，进行傅里叶变换，即可得到投影图在极坐标下的频域谱值矩阵G(u,v)，以下步骤使用GS相位恢复算法；⑥提取G(u,v)的相位和模值部分，加入域限制条件γ，γ表示gk+1(x,y)与目标域（空间域）约束不符的点集，gk+1(x,y)是相位恢复迭代矩阵，迭代过程中，根据靶标特点，空间域约束是元素值非负约束，|G(u,v)|2表示靶标估计傅里叶域模值矩阵|G(u,v)|的频谱强度，对|G(u,v)|2做傅里叶逆变换，得到经相位恢复处理后的靶标旋转中心g(x,y)的自相关函数矩阵：g(x,y)⊗g(x,y)F2-1{|G(u,v)|2};---(1)]]>⑦首先提取投影的相位，作为初始迭代估计值做傅里叶变换，保留的相位部分，并结合频域限制条件提取的模值部分构成新的频谱矩阵即F(u,v)的估算，使能满足傅里叶域的约束；然后再做傅里叶逆变换得到下一步迭代函数g'k(u,v)＝|g'k(x,y)|exp[iθ'k(x,y)]IDFT[G'k(u,v)]，即物体的一个新的估计，加入靶标的空间域限制条件，使其能满足时域约束。元素值满足非负、实数，生成第一次迭代生成的起始矩阵gk+1(x)＝|f(x,y)|exp[iθk+1(x,y)]＝|f(x,y)|exp[iθ'k(x,y)]，本次迭代结束。其中(x,y)是空间域坐标，(u,v)是频域坐标；⑧重复上述⑥、⑦步骤进行多次迭代减小相位恢复时的误差，逐渐趋近真实值，且对准精度随着迭代次数的增加而增高，迭代完成即可获得非合目标的反射投影中心对准的重构廓像，且迭代生成的矩阵满足下式：...
【技术特征摘要】
1.一种非合目标激光反射投影中心对准方法，其特征在于:该方法通过密集采样靶标激光回波，跟踪每个角度的回波投影峰值，根据360°整周期投影回波之间的几何关系导出旋转中心点的位置，对求得的旋转中心点求期望矫正，减小因激光信号流积分带来的估计误差，通过GS相位恢复算法进一步对准，具体步骤如下: ①纳秒激光器发出光脉冲，调节渐变衰减镜的衰减系数，通过调节扩束镜焦距调节光斑大小，使光斑正好完全覆盖住远处经反射布包裹的靶标； ②以靶标质心为原点，靶标绕其质心自转，靶标、激光器和探测器三者组成的平面建立二维坐标系，将光脉冲初始照射靶标角度定义为仍，经目标轮廓调制后的投影回波定义为P(P1)，探测接收系统采集每个角度下的激光反射投影； ③将每角度下投影回波峰值点作为特征点跟踪，为了降低估计误差，密集采样投影回波信息，采样角度间隔小于0.5°的，设为Ap，耙板旋转Δ识，探测角度变为巧=仍+ Δρ，激光器发出单纳秒脉冲照射靶标，探测采集系统记录响应投影回波，靶标再旋转Δρ角度，此时探测角度变为(PfiP2+ Κφ=φλ +2Δρ，投影回波记为/?(约)，重复以上步骤,直至靶标旋转一...
【专利技术属性】
技术研发人员：胡以华，周德力，黄庚华，舒嵘，颜洪雷，蓝晓萍，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31
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