本发明专利技术涉及一种激光成像回波波形和层次特征获取方法及装置，采用激光成像装置向目标发射激光脉冲，利用该装置的多回波时延测量单元和最大不失真波形采集单元，分别提取同一发射脉冲多个回波的时延数据和全波形数据。利用全波形数据提取回波脉冲展宽特征、功率特征、波形分布特征等作为目标特征存入回波脉冲数据库。利用多回波时延数据生成目标多层次点云图像，并利用回波功率特征生成目标灰度图像。本发明专利技术充分利用了回波脉冲所包含的时延、峰值功率和波形信息，不仅得到了目标的常规点云图像，还实现了目标多层次成像和目标灰度成像，并生成了波形特征数据库，达到了激光成像回波波形和层次特征获取的目的。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及激光成像领域，特别是关于一种激光成像回波波形和层次特征获取方 法及装置。
技术介绍
随着激光技术、激光接收技术的进步，随着社会各领域对高精度探测需求的日益 增长，激光成像技术正越来越受到人们的广泛关注。特别是近年来其在遥感、测绘、大气观 测、资源调查等领域的逐步应用，更推动了成像技术不断向前发展。利用高亮度、高方向性和高相干性的激光对目标进行探测而直接成像技术，可以 构成机载、星载和陆基激光成像系统。利用激光主动探测，可以对目标进行测距，获取目标 高分辨距离数据。结合平台姿态数据，如机载平台的全球定位系统(GPS)和惯性导航系统 (INS)可以直接得到目标的三维影像信息，而且其图像和三维坐标是完全匹配的，无需另外 的地面控制点，进一步，还可以达到对目标的三维识别和分类，实现高分辨率、高效、准确、 主动、直接对地三维成像。激光成像作为一种主动探测成像方式较少受环境、气候、目标光 照和对比度的影响，可以全天候工作，特别适合于工程应用和军事观察。激光成像的基本原理是向目标发射窄激光束脉冲，然后探测该目标上的被照射点 的激光回波，通过测量回波脉冲时延对目标被照射点测距，利用距离数据生成目标的点云 图像。目前常见的激光成像系统，如扫描式激光成像系统和推帚式激光成像系统都是基于 上述原理工作的。然而，根据激光成像原理，激光回波脉冲是激光发射脉冲被目标调制的结 果。回波脉冲之中蕴含了目标的各种特征信息，如回波时延反映了目标的距离信息、回波功 率反映了目标的反射率信息、回波波形分布反映了目标的结构信息。因而，现有的激光成像 技术将一个光斑视为一个像素，把利用光斑内目标回波时延信息测量得到的距离值作为光 斑内目标的距离平均值，光斑内目标的分布和起伏信息并不能提取，不能实现激光成像的 超分辨分析。且当前的激光成像系统多采用脉冲触发模式，发射脉冲时开始计数，目标回波 脉冲到达探测系统时停止计数，因此这种方式往往只能探测同一发射脉冲的首回波，当目 标存在一定遮挡、分层，如树林、草丛等情况，只能成出目标遮挡物或分层目标的外层，激光 对目标的穿透能力没有得到充分的利用。同时，目前的激光成像系统为了达到更好的处理 效果往往为系统加装可见光成像或高光谱成像设备，以期利用激光成像数据与可见或高光 谱成像数据融合，实现对目标信息的提取。然而，这不但增加了系统的复杂度和各分系统协 同控制难度，而且激光成像数据与可见或高光谱图像之间存在着成像区域、图像分辨率和 数据格式的不同，这都增加了数据融合处理的工作量和工作难度，而目标的灰度图像同样 反映了目标的二维结构信息，且与激光点云图像存在一一对应关系，其每一像素的灰度值 直接反映了目标各点对激光的反射率。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于克服上述现有技术和系统的不足，提供一种激光成像回波波形和层次特征获取方法，解决现有技术和系统激光回波信息量获取较少，回波信 息获取能力不足的问题，实现激光目标的多层次成像、灰度成像、和波形特征提取。本专利技术 提供的激光成像回波波形和层次特征获取方法主要包括以下步骤a、利用激光器发射激光脉冲，通过发射脉冲阈值探测产生计数脉冲，驱动多回波 时延测量单元开始计数和最大不失真波形采集单元开始波形采集。b、将激光回波脉冲放大后同时送入多回波时延测量单元和最大不失真波形采集 单元，分别对目标回波进行多回波时延测量和目标回波全波形的实时采集。 C、利用多回波时延数据得到目标多层次距离特征数据并成出目标点云图像。d.利用回波功率特征提取算法从回波脉冲波形数据提取回波功率特征，利用回波 波形分布特征提取算法提取波形展宽、变形及波形分布特征，并生成目标灰度图像和波形 特征数据。其中，本专利技术的多回波时延测量是利用激光脉冲经具有多个层次目标反射后，回 波将分裂为多个子回波，对每个子回波的时延信息进行测量，可实现目标的多层次成像。本 专利技术的灰度图像是将全波形数据提取得到的回波功率数据、以及系统平台数据综合生成 的。本专利技术的另一目的在于提供一种实现上述方法的激光成像回波波形和层次特征 获取装置。为此，提供一种激光成像回波波形和层次特征获取装置，由脉冲激光器、发射光 学系统、接收光学系统、探测器及最大不失真放大电路、多回波时延测量单元、最大不失真 全波形采集单元和数据处理模块组成。激光脉冲经探测器和最大不失真放大电路后分别进 入多回波时延测量单元和最大不失真全波形采集单元，并独立完成多回波时延数据采集和 全波形数据采集。多回波时延测量单元和最大不失真全波形采集单元的计数脉冲由激光发 射脉冲在发射光学系统分光后经光纤耦合到发射脉冲探测器进行阈值探测产生。其中，多回波时延测量单元由可对多次触发进行计数的计数测量电路组成，其可 在每次回波脉冲触发后记录时延数据，同时继续计数，等待下一脉冲到达，直到主波脉冲对 此单元再次触发，则对计数清零并重新开始计数。最大不失真全波形采集单元由超高速超 宽带数据采样电路组成，其可在主波计数脉冲触发下对回波波形进行实时采样，最大限度 保持回波波形，直到下一主波计数脉冲出发后，采样电路清零并开始重新采样。本专利技术的优点综上所述，本专利技术的优点在于a、突破了现有激光成像系统只能探测首回波脉冲的局限，得到了目标多层次点云 特征数据，可实现对遮蔽或分层目标进行成像。b、充分利用目标回波全波形数据，生成了目标灰度图像并提取了回波波形特征数据。C、利用光纤耦合发射脉冲到发射脉冲探测器，其结构简单，光路调整简便，且利于 各部件的布置。d、综合利用系统采集的数据进行数据处理，充分利用激光成像数据，由于各项数 据具有较强的关联性，提高了数据处理的准确性。附图说明图1为本专利技术的激光成像回波波形和层次特征获取装置的结构示意图2为回波功率算法流程框图；图3为回波波形分布特征提取算法框图。图中1、激光器，2、发射光学系统，3、光纤，4、主波探测器，5、接收光学系统，6、激光探测及不失真放大电路，7、多回波时延测量单元，8、最大不失真波形采集单元，9、数据处理 模块，10、扫描伺服装置，11、GPS、INS装置。具体实施例方式在本专利技术的一个实施例中，一种激光成像回波波形和层次特征获取方法首先将激 光发射脉冲通过阈值探测以产生起始计数脉冲，驱动多回波时延测量单元和无失真全波形 测量单元分别开始计数和全波形采集。采用这种方式可以保证测得的时延值与目标距离的 对应关系，同时整个探测范围的回波波形都能采集下来。然后将激光回波经探测和无失真放大之后同时送入多回波时延测量单元和无失 真全波形采集单元，分别利用回波触发记录回波时延和实时采集回波全波形数据。两个通 道可实现独立并行工作，同时记录下多回波时延数据和全波形数据。将时延数据和全波形数据送入数据处理模块生成时延数据和全波形数据文件。该 模块读取时延数据文件，利用回波时延与目标距离的关系，即目标距离等于时延与光速乘 积的一半，计算得到多层次目标距离值。利用各距离值结合系统所在平台(如飞机、汽车 等)的位置和姿态数据，即解算出各点在空间中三维坐标，利用图形编程成出目标点云图 像。利用回波功率提取算法从回波全波形数据中提取回波功率数据，结合平台位置和姿态 数据解算出的各点空间位置，成出目标的灰度图像。利用回波波形特征提取算法，提取本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种激光成像回波波形和层次特征获取方法，其特征在于包括以下步骤：ａ．利用激光发射脉冲阈值探测产生计数脉冲，并进行波形采集；ｂ．将激光回波脉冲放大后同时进行多回波时延测量和波形采集，测量得到回波脉冲各子回波的时延数据和回波脉冲波形数据，根据测得的回波多个脉冲时延测量值以及目标距离与回波时延的关系，计算出多层次目标距离值；ｃ．利用多层次目标距离值生成目标多层次距离特征数据并成出点云图像；ｄ．利用回波功率特征提取算法从回波脉冲波形数据提取回波功率特征，利用回波波形分布特征提取算法提取波形展宽、变形及波形分布特征，并生成目标灰度图像和波形特征数据。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：胡以华，舒嵘，赵楠翔，雷武虎，郝士琦，黄庚华，贺敏，李磊，
申请(专利权)人：中国人民解放军电子工程学院，
类型：发明
国别省市：34[中国|安徽]
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