激光反射层析成像欠采样的重建方法、存储介质和系统技术方案

本发明专利技术公开了一种激光反射层析成像欠采样的重建方法，包含：步骤一、激光器发射窄激光脉冲照射目标，并以等投影角度间隔围绕目标进行激光扫描，获取完备角度下投影角度欠采样的多视角目标原始投影数据；步骤二、对完备角度下投影角度欠采样的多视角目标原始投影数据进行反投影中心对准处理；步骤三、利用局部哈达玛矩阵，对经反投影中心对准处理后的投影数据进行稀疏观测采样；步骤四、对稀疏观测采样后的投影数据依次进行联合代数重建和全变差最小化调整的迭代处理。本发明专利技术还公开一种存储介质和系统。本发明专利技术实现了通过较少角度采样投影数据重建出较高质量激光图像，加速了图像迭代重建收敛性，保证了重建图像质量。

Reconstruction method, storage medium and system of laser reflection tomography under sampling

【技术实现步骤摘要】
激光反射层析成像欠采样的重建方法、存储介质和系统
本专利技术属于激光反射层析成像处理
，具体涉及一种激光反射层析成像欠采样的重建方法、存储介质和系统。
技术介绍
激光反射层析成像是将计算机层析成像（ComputerTomography，简称CT）与激光雷达相结合而形成的远距离高精度成像方法（R.M.Marino，R.N.Capes，W.E.Keicheretal..Tomographicimagereconstructionfromlaserradarreflectiveprojections[J],SPIELaserRadarIII,1988,Vol.999:248-263）。两者之间的区别在于激光反射层析成像依据的是物体表面的反射特征系数，一般需要采集360°投影角范围内投影数据才能重建出清晰的目标图像；CT成像依据的是物体内部的透射特征系数，只需要采集180°投影角范围内投影数据即可重建出目标图像。更为重要的是激光反射层析成像主要对非合作目标成像，通常难以获取360°投影角范围内角度充分采样投影数据，特殊情况下甚至很难做到采集360°投影角内投影数据；而CT成像针对合作目标成像，获取180°或者360°投影角范围内的角度充分采样反射投影数据相对较为容易。理论上根据奈奎斯特采样定理，满足完备角度即360°范围内完全重建探测目标激光图像所需要的最大投影角度采样间隔，则投影角度采样点数需满足，为系统距离分辨率，其取决于探测器和激光脉冲二者中所对应的较低距离分辨率，为探测目标最大尺寸。例如若探测器带宽为4GHz，激光脉冲宽度为100，则系统距离分辨率为3.75cm，若探测目标最大尺寸为60cm，则角度上投影数据采样点数必须满足，即投影角度采样间隔；若探测目标最大尺寸为120cm，则角度上投影数据采样点数必须满足，即投影角度采样间隔。上述为投影角度采样间隔最大值，实际选择中投影角度采样间隔越小，则投影数据量大，则重建出的目标图像质量就越好。在激光反射层析成像实际应用时，因为其独特的扫描成像机理，将会存在着因成像目标与成像系统之间相对旋转较快，激光对目标物体的扫描照射间隔角度相对较大，导致即使达到完备投影角度即360°，但因相对旋转较快而致投影间隔角度过大出现投影角度欠采样，不满足奈奎斯特采样定理，如果再按照上述计算重建可能会无法完全重建出目标图像，将严重制约到激光反射层析成像的实用性。中国专利说明书CN106646511B公开了一种激光反射层析成像投影数据的重构处理方法，其中将投影角度间隔选为0.5°，获取720组投影数据，利用滤波反投影算法来重建目标物体激光图像。文献“Comparisonoftechniquesforimagereconstructionusingtomography”还介绍了迭代算法（共轭梯度、梯度）和插值算法等激光反射层析图像重建方法。上述图像重建算法均只能在投影数据较充分情况下，才能重建出较高质量的目标激光图像，而且还存在着成像耗时较大问题，影响到激光反射层析成像的实用性。当采集到角度欠采样投影数据时，若再利用上述重建图像算法来重建图像，将会因投影数据不完备而导致重建图像出现伪影，降低重建的激光图像质量。
技术实现思路
本专利技术的目的之一，在于提供一种激光反射层析成像欠采样的重建方法，该重建方法克服了现有技术由于投影数据不完备导致激光图像质量比较低的技术问题。本专利技术的目的之二，在于提供一种存储介质。本专利技术的目的之三，在于提供一种激光反射层析成像欠采样的重建系统。为了达到上述目的之一，本专利技术采用如下技术方案实现：一种激光反射层析成像欠采样的重建方法，所述重建方法包含以下步骤：步骤一、激光器发射窄激光脉冲照射目标，并以等投影角度间隔围绕目标进行激光扫描，获取完备角度下投影角度欠采样的多视角目标原始投影数据；步骤二、对完备角度下投影角度欠采样的多视角目标原始投影数据进行反投影中心对准处理；步骤三、利用局部哈达玛矩阵，对经反投影中心对准处理后的投影数据进行稀疏观测采样；步骤四、对稀疏观测采样后的投影数据依次进行联合代数重建和全变差最小化调整的迭代处理。进一步的，步骤一的具体实现过程为：步骤11、激光器发射窄激光脉冲照射目标，并以等投影角度间隔围绕目标物体进行“一步一停”式的360°范围内激光扫描；步骤12、探测接收目标反射的激光回波脉冲信号，并对回波信号进行离散采样，从而得到完备角度下投影角度欠采样的目标原始投影数据。进一步的，所述窄激光脉冲宽度为100ps；所述探测接收带宽为4GHz，离散采样速率为20GS/s。进一步的，步骤一中，所述投影角度间隔的取值范围为。进一步的，步骤四的具体实现过程为：步骤401、设待重建的激光反射层析图像的初始值，k为迭代次数；步骤402、将经过投影中心对准处理后的投影数据赋值给投影矩阵；并利用快速网格遍历法求解出系统矩阵；步骤403、根据待重建激光反射层析图像的初始值以及投影矩阵和系统矩阵，按如下公式，计算得到；其中，为第次SART重建中由中投影数据第个采样点的投影值所得到的待重建图像的像素值；为第次SART重建的由中投影数据第个采样点的投影值所得到的待重建图像的像素值；为投影矩阵中投影数据第个采样点的投影值；为系统矩阵的第行行向量；为的转置向量；，为目标原始投影数据离散采样的点数；为松弛因子；步骤404、判断是否大于等于0，如是，则令，进入步骤405；如否，则令，进入步骤405；步骤405、初始化，取；步骤406、计算增量因子：其中，为待重建的激光反射层析图像的像素值初值；步骤407、计算全变差梯度及负梯度方向；其中，，为待重建图像的第行第列像素值，为待重建图像的第行第列像素值，为待重建图像第行第列像素值，，，和分别为待重建图像的行数和例数；为第次TV最小化时所得到的待重建图像的像素值，，为TV最小化过程的最大迭代次数；步骤408、按照如下公式沿TV负梯度迭代修正图像：；其中，为第次TV最小化时所得到的待重建图像的像素值；为第次TV时的第次SART迭代的由中投影数据第个采样点的投影值所得到的待重建图像的像素值；为调节因子；步骤409、判断是否小于，如是，则令，返回步骤408；如否，再进入步骤410；步骤410、判断是否小于等于阈值，如是，则令，结束；如否，则进入步骤411；步骤411、计算和；步骤412、当，则令，进入步骤403；反之，则令，进入步骤408。为了达到上述目的之二，本专利技术采用如下技术方案实现：一种存储介质，所述存储介质存储有计本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种激光反射层析成像欠采样的重建方法，其特征在于，所述重建方法包含以下步骤：/n步骤一、激光器发射窄激光脉冲照射目标，并以等投影角度间隔围绕目标进行激光扫描，获取完备角度下投影角度欠采样的多视角目标原始投影数据；/n步骤二、对完备角度下投影角度欠采样的多视角目标原始投影数据进行反投影中心对准处理；/n步骤三、利用局部哈达玛矩阵，对经反投影中心对准处理后的投影数据进行稀疏观测采样；/n步骤四、对稀疏观测采样后的投影数据依次进行联合代数重建和全变差最小化调整的迭代处理。/n

【技术特征摘要】
1.一种激光反射层析成像欠采样的重建方法，其特征在于，所述重建方法包含以下步骤：
步骤一、激光器发射窄激光脉冲照射目标，并以等投影角度间隔围绕目标进行激光扫描，获取完备角度下投影角度欠采样的多视角目标原始投影数据；
步骤二、对完备角度下投影角度欠采样的多视角目标原始投影数据进行反投影中心对准处理；
步骤三、利用局部哈达玛矩阵，对经反投影中心对准处理后的投影数据进行稀疏观测采样；
步骤四、对稀疏观测采样后的投影数据依次进行联合代数重建和全变差最小化调整的迭代处理。


2.根据权利要求1所述的重建方法，其特征在于，步骤一的具体实现过程为：
步骤11、激光器发射窄激光脉冲照射目标，并以等投影角度间隔围绕目标物体进行“一步一停”式的360°范围内激光扫描；
步骤12、探测接收目标反射的激光回波脉冲信号，并对回波信号进行离散采样，从而得到完备角度下投影角度欠采样的目标原始投影数据。


3.根据权利要求2所述的重建方法，其特征在于，所述窄激光脉冲宽度为100ps；所述探测接收带宽为4GHz，离散采样速率为20GS/s。


4.根据权利要求1或2所述的重建方法，其特征在于，步骤一中，所述投影角度间隔的取
值范围为。


5.根据权利要求1或2所述的重建方法，其特征在于，步骤四的具体实现过程为：
步骤401、设待重建的激光反射层析图像的初始值，k为迭代次数；
步骤402、将经过投影中心对准处理后的投影数据赋值给投影矩阵；并利用快速网格
遍历法求解出系统矩阵；
步骤403、根据待重建激光反射层析图像的初始值以及投影矩阵和系统矩阵，按如
下公式，计算得到

；
其中，为第次SART重建中由中投影数据第个采样点的投影...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡以华，石亮，赵楠翔，徐世龙，张鑫源，王磊，杨星，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43