反射投影成像投影图中心的对准方法技术

一种反射投影成像投影图中心的对准方法，该方法利用特征点对反射投影中心进行粗对准，再使用相位恢复算法对投影中心进行进一步对准的方法。本发明专利技术方法将相位恢复算法和特征点对准相结合应用到反射层析激光雷达投影成像中，可有效改善反射层析目标成像质量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及反投影成像系统，特别是一种， 在反投影成像系统中，存在目标物体平动所产生的旋转中心偏移问题，最终将导致不同角度下反射投影中心失配，重建图像发生错位。本专利技术方法利用特征点的投影信息与相位恢复算法相结合可以实现不同角度反射投影中心的校准，与以往单独使用特征点校准的方法相比精确度更高，成像质量更好，且对外界因素的要求比较宽松，易于实现。
技术介绍
反射层析(基于距离)类似于CT反投影重建图像的操作过程，其实质是将到源点某一距离的有限表面区域反射所得的投影信息，反投影到离源点同此距离的所有区域，如附图说明图1反射层析激光雷达所示。所不同的是CT依据的透射特征系数，只需要ο-π的透射投影信息，而反射层析依据的是反射特征系数，需要0-2 π的反射投影信息。在物体发生平动的情况下，激光短脉冲探测和非相干接收器得到基于距离的多角度一维反射投影信息，所获得的旋转中心投影不再对应距离上的同一位置。投影图对准就是将不同角度下的旋转中心投影排列在同一直线上。基于距离的反射层析激光雷达成像系统不可避免的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，时间上的随机起伏导致探测器接收端接收到的反射投影信息产生距离上的延迟，从而使投影间旋转中心的投影不在一条直线上。此外，目标的运动也会带来同样的投影中心失配问题。对失配的投影，采用直接的滤波反投影成像算法会导致重建图像出现错位扭曲现象，严重影响图像重建质量。现有对投影图采用特征点对准的方法(参见文献Xiaofeng Jin, Jianfeng Sun, Yi Yan et al·· Feature tracking for projectionregistration in laboratory-scale reflective tomography laser radar imaging. Optics Communications，2010， 283(18) :3475-3480),但是单独使用特征点对准的方法只能达到投影图粗略对准的目的， 由此重建的目标图像质量仍难以满足较高要求。考虑单个投影傅立叶域，距离上的延迟只会在投影傅立叶域引入线性相位，而不影响其傅立叶域模值分布，因而根据频域模值进行图像相位恢复成为可能。在进行粗略对准后的投影图中加入位相恢复迭代算法，可以实现投影图的进一步对准，有效提高重建图像的质量最早解决相位恢复问题的方法是1972年R. W. Gerchberg和W. 0. Maxton提出的迭代算法，根据已知的衍射强度分布与物体振幅分布函数，利用空域与频域间进行快速傅立叶变换及其逆变换，逐步迭代恢复物体相位信息。1975年，J.R. Fienup提出了误差减小算法通过频域模值来解决只有强度已知的相位分布问题(J.R.FienUp，Space Objet Imaging through the Turbulent Atmosphere , OpticalEngineering,1979,18 (5) 529-534)。之后为了解决相位恢复中的迭代停滞问题，出现了最速下降法、混合输入输出方法和共轭梯度方法，该文采用的是误差减小算法与混合输入输出算法相结合的方法实现相位恢复。最早考虑将相位恢复算法应用到反射层析激光雷达成像是乂印&11 D. Ford禾口 Charles L. Matson(St ephen.D. Ford, and C. L. Maton, Projection Registration in Reflective Tomography, Partof the SPIE Conference on Digital image Recovery and SynthesisIV，1999，SPIEVol. 3815 :189-198)，但文章中模拟的是透射投影而不是反射投影。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种反射投影成像投影中心对准的方法，该方法的原理可靠，易于实现投影中心的对准，可以有效提高成像图像质量，减少外界因素的影响，更加有效及快速的实现反投影成像。本专利技术的具体技术解决方案如下一种反射投影成像投影图中心对准方法，其特点在于该方法是先利用特征点对反射投影中心进行粗对准，再使用相位恢复算法对投影中心进行进一步对准的方法，具体包括以下步骤①激光器发出光脉冲，用会聚透镜使光脉冲会聚后再次发散，通过调节透镜的焦距改变光斑的大小，使到达探测目标的光斑外轮廓涵盖整个探测目标；②将探测目标所对应的初始角度定义为約，该約是在激光器，探测器和探测目标所确定平面内，激光器初始脉冲方向与水平方向的夹角，如图2所示。激光器发出单脉冲照射到探测目标上，探测器记录在角度夠下经过探测目标反射加宽后所对应的反射投影信息Pxit,φλ)；③探测目标旋转角度Δ识后，Δ识称为局域角度变量，探测角度变为約=灼+Δρ，激光器发出单个脉冲，探测器记录相应的反射投影信息朽；探测目标旋转角度△炉后，探测角度变为％ =0+240，激光器发出单个脉冲，探测器记录相应的反射投影信息直至获得全部共N次反射投影信息凡0，钓)，其中i = 1、2、3、……、N;④观察反射投影信息，提取反射投影信息A仏仍)的特征点A，特征点A是反射投影中反射强度明显高于周围区域的点，对应于反射投影中的峰值，或选择反射强度明显低于周围区域的点，对应于反射投影中的谷值，并对所得到的含有特征点A的反射投影信息按角度逐个进行调整通过观测不同角度的特征点A投影的时间延迟，将N次反射投影信息凡…灼)的旋转中心的投影排列在同一直线上(如图4)。从而实现投影图的粗略对准，并得到粗对准的投影图P (ri; (^)，其中投影图？0> Φ,)为按角度距离分布的二维光强信息图样；(具体步骤详见专利，公开号101623201)⑤按照反射层析傅立叶切片理论图像f(x，y)在角度Φ和Φ+180。的一维反射投影的傅里叶变换均值给出了图像f(x，y) 二维傅里叶变换F(u，v)与u轴夹角为Φ+90° 的通过原点的一个切片，如图5所示。对投影图/^,仍)所对应的矩阵按角度顺序从钓到^ 展开成为光强与距离对应的一维函数数组，然后逐个进行傅里叶变换，再按相同顺序组合即可得到探测目标在极坐标系下的频域模值矩阵，然后采用近邻域插值的方法转换到笛卡尔坐标系，从而得到探测目标傅立叶域频谱模值矩阵丨 (Μ,νΟΙ;(近邻域插值法详见=Henry Stark,John W. Woods,et al，Direct FourierReconstruction in Computer Tomography, IEEE Transactions on Acoustics， Speechand Signal Processing，1981， Assp—29(2)237 244)⑥根据宽平稳随机过程的功率谱密度是其自相关函数的傅立叶变换的Wiener-Khinchine定理，对所述的探测目标估计傅立叶域模值分布估计矩阵的频谱强度进行傅里叶逆变换，得到探测目标的自相关函数矩阵 gCx,^)*^,^ = F2-1IlS(M5V)I2)，根据该自相关函数矩阵的分布范围，即包含所有非零元素值的最小矩形范围，如图本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种反射投影成像投影图中心的对准方法，其特征在于该方法是先利用特征点对反射投影中心进行粗对准，再使用相位恢复算法对投影中心进行进一步对准的方法，具体包括以下步骤：①激光器发出光脉冲，用会聚透镜使光脉冲会聚后再次发散，通过调节透镜的焦距改变光斑的大小，使到达探测目标的光斑外轮廓涵盖整个探测目标；②将探测目标所对应的初始探测角度定义为该是在激光器、探测器和探测目标所确定平面内，激光器初始脉冲方向与水平方向的夹角，所述的激光器发出单脉冲照射到探测目标上，探测器记录在角度下经过探测目标反射加宽后所对应的反射投影信息③探测目标旋转角度后，称为局域角度变量，探测角度变为激光器发出单个脉冲，探测器记录相应的反射投影信息探测目标再旋转角度后，探测角度变为激光器发出单个脉冲，探测器记录相应的反射投影信息直至获得全部共Ｎ次反射投影信息其中ｉ＝１、２、３、……、Ｎ，Ｎ为大于３的正整数；④观察反射投影信息，提取反射投影信息的特征点Ａ，特征点Ａ是反射投影中反射强度明显高于周围区域的点，对应于反射投影中的峰值，或反射强度明显低于周围区域的点，对应于反射投影中的谷值，并对所得到的含有特征点Ａ的反射投影信息按角度逐个进行调整：通过观测不同角度的特征点Ａ投影的时间延迟，将多个角度旋转中心投影排列在同一直线上，从而实现投影图的粗略对准，并得到粗对准的投影图其中投影图为按距离角度分布的二维光强信息图样；⑤按照反射层析傅立叶切片理论对投影图所对应的矩阵按角度顺序从到展开成为光强与距离对应的一维函数数组，然后逐个进行傅里叶变换，再按相同顺序组合即可得到探测目标在极坐标系下的频域模值矩阵，然后采用近邻域插值的方法转换到笛卡尔坐标系，从而得到探测目标傅立叶域频谱模值矩阵⑥根据宽平稳随机过程的功率谱密度是其自相关函数的傅立叶变换的Ｗｉｅｎｅｒ－Ｋｈｉｎｃｈｉｎｅ定理，对所述的探测目标估计傅立叶域模值矩阵的频谱强度进行傅里叶逆变换，得到探测目标的自相关函数矩阵：ｇ（ｘ，ｙ）★根据该自相关函数矩阵的分布范围，即包含所有非零元素值的最小矩形范围，确定所需的探测目标迭代矩阵的范围γ；⑦采用误差减小算法进行相位恢复，首次迭代的初始矩阵ｇ０（ｘ，ｙ）选择为将粗对准投影图矩阵按范围γ截取所得到的矩阵，对ｇ０（ｘ，ｙ）进行傅立叶变换，得到初始频谱矩阵从中取出初始相位矩阵结合第⑤步得到的频谱模值矩阵构成新的频谱矩阵再对该频谱矩阵Ｇ０′（ｕ，ｖ）进行傅立叶逆变换得到矩阵ｇ０′（ｘ，ｙ），然后在ｇ０′（ｘ，ｙ）上加入探测目标本身限制条件：元素值满足实数、非负，生成下一次迭代的起始矩阵ｇ１（ｘ，ｙ），实现单次迭代；⑧重复上述步骤⑦进行相位恢复的多次误差减小的迭代运算，迭代完成后即获得投影中心对准的反投影重建图像，相应的相位恢复的误差减小算法单次迭代的普遍公式为：其中，ε为迭代矩阵范围γ中不符合探测目标空域限制条件的点的集合。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：严毅，刘立人，孙建锋，周煜，金晓峰，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：31