一种激光反射层析成像投影数据的重构处理方法与流程

本发明属于激光成像探测领域，具体来说是一种用于对基于距离分辨激光反射层析成像投影数据的重构处理方法。

背景技术：

激光反射层析成像(基于距离分辨)是将医学领域的层析成像(Computer Tomography，简称CT)原理引入到激光成像中而形成的一种远距离高精度成像方法(F.K.Knight,S.R.Kulkarni,R.M.Marino,and J.K.Parker.Tomographic Techniques Applied to Laser Radar Reflective Measurements[J],The Lincoln Laboratory Journal.Vol.2 No.2(1989))，其原理是激光照射目标，激光脉冲被目标表面反射，目标不同视角的表面特性调制激光脉冲的时间特性，改变激光脉冲回波的形状，采集得到围绕目标旋转360度后不同角度下的目标反射投影数据，再利用反射层析成像算法(常用算法有滤波反投影算法和傅里叶切片算法两种)重建目标图像，即可得到目标的横截面轮廓像。与CT不同的是激光反射层析成像依据的是物体表面的反射特征系数，而CT依据是物体内部的透射特征系数。

激光反射层析成像中目标图像重建是将获得的目标反射投影数据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度范围内的反射回波强度累加而成的，因而目标反射投影数据质量的好坏将直接影响重建的目标图像质量高低。实际中，激光反射层析成像中所采集得到的反射投影数据并不单纯就是目标反射投影数据，而是由激光发射信号、大气传输媒介、探测接收电路、光斑内各目标对激光发射脉冲共同调制所得到的激光信号叠加组合，目标表面特性仅仅是其中的部分作用因素，其中时也包含着探测接收电路响应和噪声等。若将采集得到的反射投影数据直接代入反射层析成像算法中来重建目标图像，必然会降低重建图像质量及空间分辨率。因此，为提高目标重建图像的质量，就需要对采集到的原始投影数据即激光回波信号进行重构处理，提取出属于光斑内各目标对激光发射脉冲调制所形成的激光回波数据，并将其作为投影数据，代入反射层析成像算法中进行图像重建，从而提高重建的目标图像空间成像分辨率。因此，有必要研究激光反射层析成像投影数据的重构处理方法，提高目标重构图像的质量。

本发明正是着眼于这个需求，利用对目标正视剖面垂直入射所得的并经滤波和归一化处理的激光回波脉冲作为基准回波脉冲(张立,陈育伟,张海洪等.对地观测激光成像基准回波脉冲研究[J].红外与激光工程,2004,33(3):260-263)，从采集得到的激光回波脉冲中提取出由目标调制作用形成的包含着目标特性信息的目标激光回波数据，以作为反射投影数据来进行目标图像重建，提高投影数据的质量，减小激光回波数据中大气调制、探测器响应等非目标特性以外因素影响，进而提高目标重构图像的质量。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是从采集的激光回波脉冲中提取出由目标调制作用形成的包含着目标特性信息的目标激光回波数据，最大程度地减小探测器响应、噪声等非目标特性以外因素对激光反射层析成像目标重建图像的影响。本发明提供一种激光反射层析成像投影数据的重构处理方法，该方法原理可靠，简单易行，可以有效提高激光反射层析成像的目标重建图像质量。

本发明的具体技术解决方案如下：

一种激光反射层析成像投影数据的重构处理方法，其特点在于该方法是以激光脉冲垂直入射到目标某个正视剖面上所得的并经滤波和归一化处理的非饱和激光回波脉冲作为基准回波脉冲，再利用基准回波脉冲从探测器采集得到的原始激光回波脉冲数据中提取出目标激光回波数据脉冲，以此作为激光反射层析成像重建目标图像的投影数据。具体包括以下步骤：

①激光器发出激光脉冲，经渐变衰减镜衰减后再通过调节扩束镜焦距来调整光斑大小，使达到探测目标处的激光光斑外轮廓完全覆盖整个探测目标。

②将探测目标某个剖面垂直于激光照射方向，使得激光器发射的纳秒级激光单脉冲垂直照射到探测目标上述剖面上，将此情况下探测目标所对应的初始探测角度定义为φ₀，该φ₀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，探测采集系统采集在角度φ₀下经过探测目标调制后所对应的激光回波数据p(φ₀,t₀)；

③将探测目标旋转Δφ后，探测角度变为φ₁＝φ₀+Δφ，激光器再次发射纳秒级脉冲照射到探测目标上，探测器采集对应角度下的激光回波数据p(φ₁,t₁)；探测目标再沿同一方向继续旋转Δφ，探测角度变为φ₂＝φ₀+2Δφ，激光器再发射脉冲照射到探测目标上，探测采集系统记录对应角度下的激光回波数据p(φ₂,t₂)；重复上述步骤，直至探测目标旋转360°，获得全部共N组激光反射回波数据集集[p(φ₀,t₀),p(φ₁,t₁)…p(φ_N-1,t_N-1)]，其中N≥360°/Δφ且N为正整数；

④观察采集到的激光反射回波数据集[p(φ₀,t₀),p(φ₁,t₁)…p(φ_N-1,t_N-1)]，提取每个回波数据的最大峰值点作为特征点，把激光回波特征点投影距离延迟转化成时间延迟，将多个角度下旋转中心投影排列在某一直线下，从而将投影数据进行对准，得到激光反射层析成像的投影图p(φ_i,t_i)，其中i＝0,1,2,…N-1；

⑤对采集到的反射回波数据p(φ₀,t₀)进行滤波和归一化处理，得到处理后的激光回波数据p₁(φ₀,t₀)，此即为基准回波脉冲；

⑥分别对基准回波脉冲p₁(φ₀,t₀)和投影数据集合p(φ_i,t_i)做傅里叶变换得到离散频谱P₁(ω)和P(ω)，再将P(ω)除以P₁(ω)得到P₂(ω)；

⑦对P₂(ω)做逆傅里叶变换，得到重构处理后的投影数据集p₂(φ_i,t_i)；

⑧将步骤⑦得到的重构处理后投影数据集p₂(φ_i,t_i)作为重建探测目标图像的最终投影数据，代入激光反射层析成像处理算法中，重建得到探测目标的横断面轮廓图像。

优选地，步骤①所述的激光脉冲的宽度为1ns。

优选地，步骤③所述的旋转角度Δφ≤0.5°。

优选地,步骤⑤所述滤波和归一化处理是采用维纳滤波算法对反射回波数据进行降噪，并利用反射回波数据的最大值作为分母，反射回波数据除以反射回波数据最大值得到归一化后的回波数据。

本发明的技术效果如下：

利用本发明可提高激光反射层析成像中投影数据的质量，利用处理后的投影数据来重建目标图像，所重建的目标图像成像分辨率可得到有效改善。

附图说明

图1是激光照射目标光斑区域和探测目标外形；

图2是探测目标的初始夹角φ₀与旋转角度间隔Δφ示意图；

图3是投影数据重构处理流程框图；

图4是原立方体探测目标图样；

图5是按照本发明方法处理后得到的目标重建图像；

图6是使用未经重构处理的投影数据所得到的目标重建图像。

附图标记：1，激光器；2，扩束镜；3，激光照射区；4，探测目标；5，接收望远镜；6，激光回波；7，探测器；8，光纤；9，探测采集系统；10，探测光束；11，探测目标运动轨迹。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明。一种激光反射层析成像投影数据重构处理方法，如图3所示，包括以下步骤：

①纳秒级激光器1发出激光脉冲，激光脉冲宽度为1ns，调节渐变衰减镜的衰减系数，通过调节扩束镜2焦距来调整激光光斑大小，经过激光照射区3使达到探测目标4处的激光光斑外轮廓能完全覆盖整个探测目标4，如图1所示。

②将探测目标4某个剖面垂直于激光照射方向，使得激光器1发射的纳秒级激光单脉冲垂直照射到探测目标4上述剖面上。以激光器1、探测目标4和探测器7所在平面建立二维坐标系，将此时激光脉冲照射到探测目标4的初始角度定义为φ₀，如图2所示。激光器1发出单脉冲照射到探测目标4上，接收望远镜5收集探测目标反射所照射的激光脉冲所形成的激光回波6，探测器7探测接收望远镜5所接收的激光回波6，并将光信号转换为电信号，经光纤8送至探测采集系统9，探测采集系统9采集记录在角度φ₀下，经过目标轮廓调制后的激光反射回波数据p(φ₀,t₀)；

③以探测目标4质心为坐标轴原点，探测目标4绕其质心作“一步一停”式等角度间隔旋转,其旋转轨迹如探测目标运动轨迹11。为密集采样不同角度下目标的激光回波6信息，可设定旋转角度间隔Δφ≤0.5°。将探测目标4旋转角度间隔Δφ，此时探测角度变为φ₁＝φ₀+Δφ，激光器1再次发射激光脉冲照射到探测目标4上，探测采集系统9采集该角度下的反射投影回波数据p(φ₁,t₁)；探测目标4再旋转角度间隔Δφ，此时探测角度变为φ₂＝φ₀+2Δφ，激光器1再发射脉冲照射到探测目标4上，探测采集系统9记录该角度下的反射投影回波数据p(φ₂,t₂)；重复上述步骤，直至探测目标4旋转360度，共采集得到N组反射投影回波数据[p(φ₀,t₀),p(φ₁,t₁)…p(φ_N-1,t_N-1)]，其中，N≥360°/Δφ且N为正整数；

④观察采集到的反射投影回波数据[p(φ₀,t₀),p(φ₁,t₁)…p(φ_N-1,t_N-1)]，提取每个回波数据的峰值点作为特征点，把激光回波6特征点投影距离延迟转化成时间延迟，将N次反射投影回波数据p(φ_i,t_i)的旋转中心的投影排列在同一直线下，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，得到对准后的投影图p(φ_i,t_i)，其中i＝0,1,2,…N-1。其中投影图p(φ_i,t_i)是关于角度和光强分布的信息图样；

⑤对激光回波6数据p(φ₀,t₀)进行滤波处理，滤除激光回波6中的噪声，再对滤波处理后的激光回波6进行归一化处理，得到基准回波脉冲p₁(φ₀,t₀)；

⑥分别对基准回波脉冲p₁(φ₀,t₀)和投影数据集合p(φ_i,t_i)做傅里叶变换得到离散频谱P₁(ω)和P(ω)，再将P(ω)除以P₁(ω)得到P₂(ω)；

⑦对P₂(ω)做逆傅里叶变换，得到重构处理后的投影数据集p₂(φ_i,t_i)。

⑧将p₂(φ_i,t_i)作为投影数据可代入激光反射层析成像处理算法-滤波反投影成像算法中，即可得到重建后的目标轮廓重建图像。

我们利用激光反射层析成像实验系统和本发明方法进行验证，采用一30cm×30cm×30cm立方体作为探测目标4，如图4所示，系统距离分辨率ΔR＝15cm，则物体完全重建所需要的投影角度间隔x_max是指目标尺寸30cm。实验中Δφ＝0.5°，投影数据采样组数取满足条件的720，探测目标4与激光器1、探测器7距离为40m。依次按照本发明具体步骤实施实验验证，重建图像如图5所示，图6为未经数据重构处理所重建得到的目标图像，可以证明本发明的投影数据重构处理方法可有效改善激光反射层析成像重建目标图像的质量。

以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。