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调频连续波(FM/CW)激光雷达是一种新体制光学非相干雷达,能成高分辨率的距离像和强度像,因此受到关注。距离像提取和噪声抑制是激光雷达的关键技术。分别对目标模型进行无噪声和含噪声激光雷达的距离像提取仿真研究,分析噪声对距离像提取结果的影响。同时,对像元数为64×64的距离像噪声分别使用均值滤波、中值滤波和顺序均值滤波等算法进行噪声抑制。仿真结果表明,顺序均值滤波对高斯和椒盐噪声的抑制都取得了较好的结果。
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书书书
第
32
卷
光
学
学
报
光学前沿———信息光学
2012
年
12
月
犃犆犜犃犗犘犜犐犆犃犛犐犖犐犆犃
专
刊
调频连续波激光雷达距离像提取及噪声抑制仿真研究
熊智鹏
李
琦
夏志伟
王
骐
(哈尔滨工业大学可调谐激光技术国家级重点实验室,黑龙江 哈尔滨
150081
)
摘要
调频连续波(
FM
/
CW
)激光雷达是一种新体制光学非相干雷达,能成高分辨率的 距离 像和强 度像,因此 受到
关注。距离像提取和噪声抑制是激光雷达的关键技术。 分别 对目 标 模型 进行 无 噪声 和含 噪 声激 光雷 达 的距 离像
提取仿真研究,分析噪声对距离像提取结果的影响。同 时,对 像元 数 为
64×64
的 距离 像噪 声 分别 使用 均 值滤 波、
中值滤波和顺序 均值滤波等算法进行噪声抑制。仿真结果表明,顺序 均 值滤波 对高 斯和椒 盐噪 声的抑 制都 取得
了较好的结果。
关键词
测量;激光雷达;调频连续波;距离像;噪声抑制
中图分类号
TP751.1
文献标识码
A
犱狅犻
:
10.3788
/
犃犗犛201232.狊128002
犚犲狊犲犪狉犮犺狅狀犈狓狋狉犪犮狋犻狅狀狅犳犚犪狀
犵
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狉犲狊狊犻狅狀
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狇
狌犲狀犮
狔
犕狅犱狌犾犪狋犻狅狀
/
犆狅狀狋犻狀狌狅狌狊犠犪狏犲犔犪犱犪狉
犡犻狅狀
犵
犣犺犻
狆
犲狀
犵
犔犻犙犻
犡犻犪犣犺犻狑犲犻
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犵
犙犻
(
犖犪狋犻狅狀犪犾犓犲
狔
犔犪犫狅狉犪狋狅狉
狔
狅
犳
犛犮犻犲狀犮犲犪狀犱犜犲犮犺狀狅犾狅
犵狔
狅狀犜狌狀犪犫犾犲犔犪狊犲狉
,
犎犪狉犫犻狀犐狀狊狋犻狋狌狋犲狅
犳
犜犲犮犺狀狅犾狅
犵狔
,
犎犪狉犫犻狀
,
犎犲犻犾狅狀
犵犼
犻犪狀
犵
150081
,
犆犺犻狀犪
)
犃犫狊狋狉犪犮狋
犉狉犲
狇
狌犲狀犮
狔
犿狅犱狌犾犪狋犻狅狀
/
犮狅狀狋犻狀狌狅狌狊狑犪狏犲
(
犉犠犆犠
)
犾犪犱犪狉犻狊犪狀犲狑犽犻狀犱狅
狆
狋犻犮犪犾犻狀犮狅犺犲狉犲狀狋犾犪犱犪狉狑犻狋犺犺犻
犵
犺
狉犲狊狅犾狌狋犻狅狀狉犪狀
犵
犲犻犿犪
犵
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狔
犻犿犪
犵
犲.犜犺犲狉犲犳狅狉犲犻狋犪狋狋狉犪犮狋狊犪犾狅狋狅犳犻狀狋犲狉犲狊狋.犚犪狀
犵
犲犻犿犪
犵
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狊狌
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狉犲狊狊犻狅狀犪狉犲狋犺犲犽犲
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犵
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犲犻犿犪
犵
犲狊狅犳犾犪犱犪狉狑犻狋犺犪狀犱狑犻狋犺狅狌狋狀狅犻狊犲犪狉犲犲狓狋狉犪犮狋犲犱犪狀犱狊狋狌犱犻犲犱
狉犲狊
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犲犮狋犻狏犲犾
狔
狋狅犪狀犪犾
狔
狕犲狋犺犲犻狀犳犾狌犲狀犮犲狅犳狀狅犻狊犲狅狀狋犺犲
狆
狉狅犮犲狊狊狅犳狉犪狀
犵
犲犻犿犪
犵
犲犲狓狋狉犪犮狋犻狅狀.犕犲犪狀狑犺犻犾犲
,
犿犲犪狀犳犻犾狋犲狉犻狀
犵
犪犾
犵
狅狉犻狋犺犿
,
犿犲犱犻犪狀犳犻犾狋犲狉犻狀
犵
犪犾
犵
狅狉犻狋犺犿犪狀犱狅狉犱犲狉犿犲犱犻犪狀犳犻犾狋犲狉犻狀
犵
犪犾
犵
狅狉犻狋犺犿犪狉犲狌狊犲犱狋狅狊狌
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狉犲狊狊狋犺犲狀狅犻狊犲狅犳狋犺犲狉犪狀
犵
犲
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犵
犲狊.犜犺犲
狆
犻狓犲犾狀狌犿犫犲狉狅犳狅狌狉狉犪狀
犵
犲犻犿犪
犵
犲犻狊
64×64.犜犺犲狊犻犿狌犾犪狋犻狅狀狉犲狊狌犾狋狊狊犺狅狑狋犺犪狋狅狉犱犲狉犿犲犱犻犪狀犳犻犾狋犲狉犻狀
犵
犪犾
犵
狅狉犻狋犺犿犺犪狊犫犲狋狋犲狉
狆
犲狉犳狅狉犿犪狀犮犲狅狀狊狌
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犵
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犲狉狀狅犻狊犲.
犓犲
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狑狅狉犱狊
犿犲犪狊狌狉犲犿犲狀狋
;
犾犪犱犪狉
;
犳狉犲
狇
狌犲狀犮
狔
犿狅犱狌犾犪狋犻狅狀
/
犮狅狀狋犻狀狌狅狌狊狑犪狏犲
;
狉犪狀
犵
犲犻犿犪
犵
犲
;
狀狅犻狊犲狊狌
狆狆
狉犲狊狊犻狅狀
犗犆犐犛犮狅犱犲狊
280.3640
;
100.2000
;
070.6110
收稿日期:
20120731
;收到修改稿日期:
20120831
作者简介:熊智鹏(
1989
—),男,硕士研究生,主要从事激光雷达方面的研究。
Email
:
xz
p
_
1989
@
163.com
导师简介:李
琦(
1963
—),女,博士,教授,主要从事激光雷达与太赫兹成像等方面的研究。
Email
:
hit
_
li
q
i
@
y
ahoo.cn
1
引
言
激光 雷达能成距 离像和强度 像,且较微 波雷达
分辨率高,因此在机 器 人三维视 觉 等领域有 着 广泛
的应用前景,其中距离像提取和噪声抑制,是激光雷
达应用的关键技术
[
1
~
4
]
。自上世纪末,激 光 成 像 雷
达有了突飞 猛 进 的 发 展,出 现 了 多 种 新 体 制,其 中
1995
年美国陆军 研究实验室(
ARL
)提 出 的 调 频 连
续波(
FM
/
CW
)激 光 成 像 雷 达
[
5
]
,历 经 了 近 二 十 年
的发展,已从扫 描 成像发展 到 非扫描成 像。 国外对
其成像原 理 和实验装 置 的研究已 有 较多报道
[
6
~
9
]
,
国内对这种雷达体制的距离提取和图像处理仿真研
究很少
[
10
,
11
]
。
本文正是在这一背景 下,对
FM
/
CW
成像激光
雷达的距离像提取和噪声抑制进行研究。对建立的
目标模型,使用快 速 傅里叶变 换(
FFT
)将面阵目 标
的中频信号变换到 频域,提 取频域中 目 标距离对 应
的中频信息,还原出 像 元数为
64×64
面阵距离 像。
在此基础上,研究高 斯 噪声和椒 盐 噪声对目 标 面阵
距离提取结果的影 响,使 用 三种距离 像 噪声抑制 算
法对所加的噪声进 行抑制,评价所使 用 的距离像 噪
s1280021
光
学
学
报
声抑制算法对仿真距离像噪声抑制的性能。
2
距离提取和噪声抑制原理
2.1
犉犕
/
犆犠
激光雷达基本原理
图
1
[
12
]
给 出
FM
/
CW
无 扫 描 成 像 雷 达 的 工 作
原理示意图,啁啾信 号 发生器在 触 发电路的 控 制下
产生带宽 几 百 兆 赫 兹
(甚 至 上 吉 赫 兹)线 性 调 频 信
号
,该信号经过一个 宽 带的射频 功 率放大器 进 行信
号放大后,再对激光器进行调制,所发射激光经发射
天线以一定束散角 照明目标,从目标反 射 回来的光
经过接收天线收 集,照射到 混 频探测器 上。 本振信
号和回波信号在混 频探测器 上 进行混频,得到中频
信号
,该中频信号包含 目 标的强度 和 距离信息。 使
用焦平面读出电路读出数据,经过滤波和采样,对获
得的采样数据进行 快速傅里 叶 变换,从 而可以获 得
目标的三维几何像数据 以及强度 (反 射 率)像 数据,
实现无扫描
4D
成像
[
13
,
14
]
。
图
1 FM
/
CW
无扫描成像雷达系统框图
Fi
g
.1 Blockdia
g
ramofFM
/
CWscannerlessima
g
in
g
ladar
2.2
距离提取原理
FM
/
CW
激光雷达的距离探测是通过测量光传
输到目标的往返时间,从而得到目标距离
[
6
]
。
对一个线性调频(
LFM
)信 号,设
犳
0
是 调 频 起
始频率,
犜
为调 频 周 期,
Δ
犉
为 频 带 带 宽。发 射 的 啁
啾波形频率可表述为
犳
(
狋
)
=
犳
0
+
Δ
犉
犜
·
狋
,
-
犜
2
≤
狋
≤
犜
2
(
1
)
本振
LFM
信号的相位可表示为
狓
(
狋
)
=
∫
狋
-
∞
2
π
犳
0
+
Δ
犉
犜
( )
狋′
d
狋′
.
(
2
)
回波
LFM
信号的相位可表示为
r
(
狋
)
=
∫
狋
-
τ
-
∞
2
π
犳
0
+
Δ
犉
犜
( )
狋′
d
狋′
.
(
3
)
本振信号与回波信号的相位差为
Δ
(
狋
)
=
2
π
犳
0
τ
+
2
π
Δ
犉
犜
狋
τ
-
π
Δ
犉
犜
τ
2
.
(
4
)
由于
τ
与
犜
相比很小,故 (
4
)式 中 第 三 项 相 较
于前两项可以忽略。本振和回波信号混频之后的中
频信号可以表示为
犞
m
(
狋
)
=
犪
r
cos2
π
犳
0
τ
+
Δ
犉
犜
狋
( )
τ
, (
5
)
式中
犪
r
为的是考虑传输、散射、探测、混频带来的损
耗以及放大器增益 等 因素影响 的 中频信号 的 幅值。
设
犚
为目标到接收机的距离,
犮
为光速,将
τ
=
2
犚
/
犮
代入,可以得到中频频率为
犳
IF
=
Δ
犉
犜
·
2
犚
犮
.
(
6
)
对应的目标距离为
犚
=
犮
2
Δ
犉
犜
犳
IF
.
(
7
)
由距离表达式(
7
)式可知,通过对中频信号的分
析可以得到目标的距离信息。中频信号的频率与频
带带宽、到目标的距离和调频周期三个因素有关。
为了对中频鉴频获得目标的距离信息,对(
5
)式
进行傅里叶变换
,可得
犉
(
犳
)
=
犪
r
犜
∫
犜
/
2
-
犜
/
2
cos2
π
犳
0
τ
+
Δ
犉
犜
狋
( )
[ ]
τ
×
ex
p
(
-
j
2
π
犳
狋
)
d
狋
.
(
8
)
在
FM
/
CW
激光雷达中,需 要将回波与本 振 的
中频信号离散化,使用离 散傅里叶 变 换(
DFT
)建立
距离数 据 矩 阵。 于 是 第
狀
个 采 样 所 对 应 的 频 率
犳
(
狀
)的离散傅里叶变换的归一化傅里叶谱为
犉
(
狀
/
犜
)
=
ex
p
(
j
2
π
犳
0
τ
)
sin
[
π
(
Δ
犉
τ
-
狀
)]
π
(
Δ
犉
τ
-
狀
)
+
ex
p
(
-j
2
π
犳
0
τ
)
sin
[
π
(
Δ
犉
τ
+
狀
)]
π
(
Δ
犉
τ
+
狀
)
.
(
9
)
当
狀
较 大 时 (
9
)式 第 二 项 可 以 忽 略。由 函 数
sin
狓
狓
的性质,(
9
)式在
Δ
犉
·
τ
=
狀
时取最大值,
狀
对
应于中频的鉴频位置,对应于一个归一化距离。
FM
/
CW
激光雷达能成距离像和 强 度 像,距 离
像可以反映目标的 距离信息 和 结构特征 等,是目标
识别的重要组成部分。
2005
年
ARL
对
300m
远处
手持 武 器 的 人 成 像,得 到 的
3D
距 离 像 如 图
2
所
示
[
9
]
。
2.3
噪声抑制算法原理
顺序均值滤波是专门用来处理激光雷达距离像
的一种算法
[
15
]
,对某一运算模板内的像素灰度值进
s1280022
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