阵列激光三维成像雷达建模及其信号处理

发布时间：2019-11-22 13:12

【摘要】：激光三维雷达技术相比于目前其它的成像技术(如合成孔径雷达、红外、毫米波、可见光等),可以直接获得高精度的三维数据,形成更丰富的图像信息(包括3D范围图像,灰度图像等)与抗干扰(如电磁,背景,和阳光)能力。正因为如此,激光三维成像雷达正成为主动式成像探测的一个重要发展方面,得到我军和外军的高度重视。然而,目前的激光三维成像技术受限于探测器阵列规模和激光器及扫描结构,在扫描速度、精度等方面难以获得进一步提高,亟待需要突破。本文针对上述现有的激光三维成像技术的不足从阵列调制、光电检测、阵列解调的原理与结构出发,结合后期的重构与复原,开展了基于CDMA激光复用编码的阵列激光三维成像雷达探测技术研究,利用激光编码成像系统总体技术以及数据处理技术,提出了一种基于激光编码调制技术的新型激光三维成像方法,通过对激光进行N段编码调制,实现用M个探测器接收器同时测量M*N个数据点,从而实现了高分辨率新型线阵激光成像。通过对阵列的三维激光雷达系统仿真建模研究,建立了相应的系统模型,它能逼真地模拟和估计的三维阵列的激光雷达系统的关键特性,有助于信号处理算法的研究。并且提出了一套信号处理方案,包括弱信号提取、波形分解、信号解调及检错纠错。对于初步的雷达系统提出了回波信号滤波和图像增强的算法。本系统方案能更快地实现对地测量,而且可以实现更高的精度。使用CDMA激光调制的方式实现APD复用,通过对激光进行N段编码调制,用M个探测器接收器同时测量M*N个数据点,极大地扩展了系统的可扩展性。本文针对线阵编码激光三维成像雷达技术做了深入研究。首先,给出了激光雷达的分析和建模,主要包括激光发射系统、大气传输、地物目标和接收探测系统；在此基础上,加入了阵列激光的编码仿真,详细阐述了本文中阵列编码的思想和算法一一复用编码,介绍了激光复用编码中使用的正交编码的原理,阐述了激光复用编码在本激光雷达系统中的实现方式。对于全波形数据的处理,首先运用时频分析的方法,依靠分数阶傅立叶变换可以实现有效去除加性噪声,利用相关特性同时结合编码的特性,可以进行信号积累,可以有效地滤除乘性噪声。使用LM算法对全波形数据进行分解和拟合,从而对回波脉冲的位置进行精确的定位。同时,使用更精确的模型代替高斯函数对激光器的激光脉冲进行拟合,并且得到了更好的拟合效果。使用指定编码模板与接收到的回波信号进行相关计算,实现回波信号的解调,得到相应通道回波信号的信息。同时利用汉明码,进行错误检查和纠正。针对激光散斑噪声的图像特征,采用线性加权平均多元广义形态滤波去除斑点噪声,同时保持图像的边缘,大大提高了图像中的斑点噪声抑制能力。同时,由于激光回波信号较弱,另一方面,噪声的影响也使信号(亮条纹)强度降低,反映在图像上就是像素点的灰度值较小,且集中在一个很小的范围内,因而有必要在不失真的条件下提高各点的相对灰度值。基于改进的混合蛙跳算法的图像增强算法,搜索速度快、范围广,可以快速地实现图像自适应增强。
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TN958.98

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