【正文】 人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo) 明。 涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。特別是條紋管激光成像雷達(dá)在軍事中有著重要的地位。可以說我國的條紋管激光雷達(dá)成像技術(shù)任重而道遠(yuǎn)。目前，美國、俄羅斯、日本等國在這方面的研究工作居于領(lǐng)先水平。 自 20 世紀(jì) 90 年代初以來，美國 Sandia 國家實(shí)驗(yàn)室一直致力于發(fā)展一種新的非掃描距離激光成像雷達(dá)，并于 2021 年提出了利用條紋相機(jī)直接實(shí)現(xiàn)脈沖式激光四維成像技術(shù)方案，這種新體制激光成像雷達(dá)不需要機(jī)械掃描，而是利用高頻強(qiáng)度調(diào)制的激光器照射目標(biāo)，用帶有像增強(qiáng)器的條紋相機(jī)接收回波，經(jīng)過數(shù)字信號處理依次提取每個光點(diǎn)的距離信息，形成目標(biāo)哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 的強(qiáng) 度 +距離四維圖像。條紋管激光成像雷達(dá)即能夠給出高分辨率的強(qiáng)度像，還能給出高精度的三維幾何像，同時獲取四維信息（三維空間距離 +一維強(qiáng)度），這正是激光成像技術(shù)的優(yōu)勢所在。條紋管激光三維成像雷達(dá)這項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)在我們國家離真正實(shí)際應(yīng)用中還有一段距離。成像激光雷達(dá)由于具有極高的角度分辨率和距離分辨率，可以同時成目標(biāo)的強(qiáng)度像和距離像，還可以成高分辨率的三維圖像，所以很適合于在軍事上發(fā)展智能武器。一個好的算法可以在保證不失真的前提下有很快的處理速度，從而使成像具有很高的幀頻。能夠 形成目標(biāo)的三維距離像，并且很好的反映出目標(biāo)的特征是條紋管激光成像技術(shù)的基本要求。盡量減少實(shí)驗(yàn)的誤差，提高條紋管在應(yīng)用中對成像距離、強(qiáng)度的精度，并通過實(shí)際處理檢測此平臺的應(yīng)用性能。 第三章闡明各模塊的功能和實(shí)現(xiàn)可能性。利用 Visual Basic 編寫條紋管成像系統(tǒng)軟件平臺。后面提到的降噪、特征數(shù)據(jù)提取、圖像構(gòu)建都是在此基礎(chǔ)上完成的。 如圖 21 所示，條紋管由光電陰極（ PC）、加速系統(tǒng)（ M）、聚焦系統(tǒng)（ Focus）、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)（ D）和熒光屏（ PS）等部分組成。電子脈沖經(jīng)偏轉(zhuǎn)體統(tǒng)（ D），由于偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)上加有隨時間線性變化的斜坡電壓，不同時刻將到達(dá)熒光評上的不同位置，因此在熒光屏上將沿垂 直于狹縫方向展開。 圖 22 是條紋管對目標(biāo)成三維像的原理圖，激光經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)變換變?yōu)榫€光源照射到目標(biāo)上，經(jīng)過反射后被條紋管接收，單狹縫條紋管的一幀圖像只能對目標(biāo)的在選通方向上的一個剖面成輪廓像，如圖 22（ a）所示，不同距離上的目標(biāo)經(jīng)過反射、偏轉(zhuǎn)系 統(tǒng)后由于行走時間不同，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后形成的電子書所受到的偏轉(zhuǎn)電壓也不一樣，因此在熒光屏上會顯示不同位置的條紋，如圖 22（ b）。要快速精確的對目標(biāo)成像，需要條紋管激光雷達(dá) 成像系統(tǒng)有更高的要求。 本文的研究是基于個人計算機(jī)（ PC）的圖像處理系統(tǒng)。 本章小結(jié) 本章主要介紹了條紋管激光成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理，描述了條紋管激光成像系統(tǒng)的工作過程，并對條紋管激光成像系統(tǒng)的基本要求進(jìn)行了闡述。特征數(shù)據(jù)提取時進(jìn)行目標(biāo)重構(gòu)很重要的一步，合理的卻分特征條紋與噪聲并正確提取直接影響對目標(biāo)成像的正確性。它將數(shù)值分析、 矩陣計算 、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非 線性 動態(tài)系統(tǒng)的 建模 和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計算的眾多科學(xué) 領(lǐng)域 提供了一種全面的解決方案，并在很大程度擺 脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計語言（如 C、 Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國際科學(xué)計算軟件的先進(jìn) 水平。在新的版本中也加入了對 C， FORTRAN， C++， JAVA 的支持。因此分析噪聲的來源與種類并進(jìn)行降噪是十分有必要的，也是為后續(xù)的圖像處理、圖像構(gòu)建奠定基礎(chǔ)。 光電陰極噪聲的主要來源是暗發(fā)射噪聲。 微通道板（ Microchannel Plate， MCP）是一種大面陣的高空間分辨的電子倍增探測器，并具備非常高的時間分辨率。 （ 2） CCD 相機(jī)帶來的噪聲 CCD 相機(jī)是用來獲取條紋管圖像的器件，其帶來的噪聲對待處理圖像有最直接的影響。暗 電流噪聲是由于器件的特性決定的，根本解決措施改進(jìn)CCD 工藝。 光子噪聲來源于光子發(fā)射的隨機(jī)性，由光子性質(zhì)決定，在低照度攝像時較嚴(yán)重。或者是受到各種磁場的影響，而產(chǎn)生各種無用的信號，對最終的圖像產(chǎn)生影響。因此頻域的處理算法對于條紋管是不合適的，因?yàn)轭l域的處理算法一般都比較復(fù)雜，相對而言速度太慢。 典型的邊界保持類平滑濾波 器主要有灰度最小方差均值濾波器、 K 近鄰（ KNN： K Nearest Neighbor）、平滑均值 /中值濾波器、對稱近鄰（ SNN：Symmetric Nearest Neighbor）均值濾波器和西戈瑪（Σ）平滑濾波器等。如果像素點(diǎn)是噪聲點(diǎn)，則因?yàn)槭窃肼暠旧砭哂泄铝Ⅻc(diǎn)的特點(diǎn)，因此與臨近點(diǎn)進(jìn)行平滑處理時可以對其抑制。 根據(jù)此算法可以編寫 MATLAB 程序： I=rgb2gray(I)。 temp=sort(sort(temp1(:)))。表明在這一維目標(biāo)處，有兩個凹陷的地方。相干激光成像雷達(dá)距離像處理的一個重要內(nèi)容就是進(jìn)行背景抑制。因此這種方法并不完全使用。 最大類間方差法是由日本學(xué)者大津 (Nobuyuki Otsu)于 1979 年提出的 ,是一種自適應(yīng)的閾值確定的方法 ,又叫大津法 ,簡稱 OTSU。 最大類間方差法（ Otsu）的原理 是 閾值將原圖象分成前景 、 背景兩個圖象 ： ① 前景：用 n1, csum, m1 來表示在當(dāng)前閾值下的前景的點(diǎn)數(shù)，質(zhì) 量矩，平均灰度 ； ② 后景：用 n2, sumcsum, m2 來表示在當(dāng)前閾值下的背景的點(diǎn)數(shù)，質(zhì)量矩，平均灰度 。 （ 31） ② 前景和背景圖象的方差 g= 0w ( 0u u)( 0u u)+ 1w ( 1u u)( 1u u)= 0w 1w ( 0u 1u )( 0u 1u ) （ 32） 上面的 g 的公式也就是下面程序中的 sib（類間方差） 的表達(dá)式當(dāng)方差 g 最大時，可以認(rèn)為此時前景和背景差異最大，也就是此時的灰度是最佳閾值 。接下來進(jìn)行閾值分割。 條紋圖像局部還存在少量噪聲，但是已不影響主體條紋部分，可以進(jìn)行接下來的條翁特征數(shù)據(jù)提取工作。 幾種條紋管特征數(shù)據(jù) 提取方法 平均值法 這種方法是用每一列 的 所 有像素點(diǎn)的平均值所在的縱坐標(biāo)作為特征數(shù)值。 灰度質(zhì)心法 因?yàn)榧す庥忻}寬，并且一個脈沖不同部分的回波信號都會被接收到，因此每個條紋都表現(xiàn)出有一定的寬度，而不是簡單的一行像素。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，這種處理方式是這幾種方法中最為簡單的一種方法，只進(jìn)行一次哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 掃描就可以同時獲得 距離信息和強(qiáng)度信息。同時，原圖中每一點(diǎn)的灰度值不同，這也被很好的保留下來。圖像構(gòu)建的原理還是來自于條紋管的工作原理，下 面將介紹對目標(biāo)圖像進(jìn)行重的算法。 根據(jù)條紋管時間分辨原理分析，條紋數(shù)據(jù)點(diǎn)在條紋圖像中的縱向偏移量與條紋管掃描電壓一一對應(yīng)。 同時，電壓與距離的擬合公式如下式，其中， U為條紋上某點(diǎn)對應(yīng)的條紋管掃描電壓值， D為相應(yīng)目標(biāo)距離值： 根據(jù)這個公式，就可以利用式（ 32）、（ 33） ,通過相 對位移求先求對應(yīng)激光回波信號到達(dá)時刻的條紋管掃描電壓值，進(jìn)而求出目標(biāo)的距離像。只需要順次組合每一幀圖像中的灰度最大值，直接 將條紋特征數(shù)據(jù)提取所得到的條紋上各數(shù)據(jù)點(diǎn)的灰度值進(jìn)行組合得到目標(biāo)強(qiáng)度像。并能夠看出目標(biāo)凹陷的部位，可以比較清楚的的看出目標(biāo)的距離特征。但是也應(yīng)該看到有不少的干擾，與現(xiàn)實(shí)情況有一定 的誤差，下面將對誤差產(chǎn)生的可能進(jìn)行分析?，F(xiàn)實(shí)中條紋管是工作在飛行器或者其他移動的交通工具中，而在實(shí)驗(yàn)室中只能用手對目標(biāo)的每一行進(jìn)行橫向掃描，來模擬推掃成像，這種手動的方式會不可避免的帶來誤差。其次，條紋管激光成像系統(tǒng)中的斜 坡電壓不是線性度也不是很好，也在距離像中引入了不少誤差。 上面提到的誤差可以通過多次測量取平均值來減小，或者可以通過不斷的優(yōu)化處理算法。條紋圖像處理軟件結(jié)構(gòu)為條紋圖像處理算法和相關(guān)軟件的開發(fā)提供 了參考框架。 首先，從多目標(biāo)距離分辨實(shí)驗(yàn)所獲得 的目標(biāo)條紋圖像出發(fā)，通過比較不同邊界保持類平滑濾噪算法的實(shí)際處理效果，得出 KNN 均值濾波器對條紋圖像具有最好的噪聲抑制效果。 本章在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上對上一章中研究得到的條紋圖像處理算法的可行性和正確性進(jìn)行了全面的分析和驗(yàn)證，為條紋管激光成像系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理技術(shù)研究工作的開展提供了實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，對于條紋管激光成像系統(tǒng)研究工作具有重要的實(shí)踐意義。② MATLAB程序不能脫離其環(huán)境運(yùn)行，因此它不能被用于開發(fā)商用軟件 。然而 VB提供的數(shù)學(xué)函數(shù)極其有限。 Visual Basic的出現(xiàn)打破了 Windows應(yīng)用程序的開發(fā)由專業(yè)的 C程序員一統(tǒng)天下的局面，即使非專業(yè)人員也能在較短的時間內(nèi)開發(fā)出高質(zhì)量、界面好的 Visual Basic應(yīng)用程序。 Visual Basic通過事件來執(zhí)行對象的操作，一個對象可能會產(chǎn)生多個事件，每個事件都可以通過一段程序來響應(yīng)，而各個事件之間卻不一定有聯(lián)系，這樣的應(yīng)用程序代碼較短，使程序既 易于編寫又易于維護(hù)。 VB調(diào)用 MATLAB編程的實(shí)現(xiàn)幾種方法 利用 VB MATLAB程序的方法有很多種，其中有三種比較方便、常用的實(shí)現(xiàn) VB和 MATLAB混合編程的方法技術(shù)。 這種方法的優(yōu)點(diǎn)是，可以充分利用 MATLAB的函數(shù)功能，功 能強(qiáng)大，應(yīng)用程序的靈活性高，能夠脫離 MATLAB平臺。 在 Windows 注冊表中 ,MATLAB 的 ActiveX 對象名為“ ”。但是這種方法無法脫離 MATLAB平臺，也就是必須在裝有 MATLAB的 PC機(jī)上才能運(yùn)行。 文件格式是 ASCII碼形式保存的 ,修改其內(nèi)容是很容易的。原始參數(shù)輸入、輸出都是由 VB完成 ,在 VB開發(fā)環(huán)境中按 MATLAB語言格式寫成 M函 數(shù) ,然后調(diào)用 MATLAB執(zhí)行。 ActiveX部件保留了一些普通 VB控件的屬性、事件和方法。 （ 2） MATLAB的 ActiveX自動化服務(wù)功能 ActiveX自動化 (OLE自動化 )協(xié)議是一種允許一個應(yīng)用程序 (控制端 )去控制另一個應(yīng)用程序 (服務(wù)器端 )的協(xié)議。 （ 1） MATLAB的動態(tài)數(shù)據(jù)交換服務(wù)功能 動態(tài)數(shù)據(jù)交換 (DDE)是在 Windows環(huán)境下支持客戶 /服務(wù)器計算模式的重要技術(shù) ,兩個 Windows應(yīng)用程序之間可以通過交換數(shù)據(jù)來相互連接 ,由于VB支持 DDE客戶端功能 ,MATLAB提供了 DDE服務(wù)功能 ,因此利用 VB和MATLAB的動態(tài)數(shù)據(jù)交換能力 ,可以實(shí)現(xiàn)在 VB應(yīng)用程序中調(diào)用 MATLAB。 Visual Basic提供了易學(xué)易用的集成開發(fā)環(huán)境，在該開發(fā)環(huán)境中，用戶可設(shè)計用戶界面，編寫代碼，調(diào)試程序，直至把應(yīng)用程序編譯成可執(zhí)行文件使其直接在 Windows環(huán)境下運(yùn)行 。 Visual Basic 語言的特點(diǎn) Visual Basic是可視化的程序設(shè)計語言，開發(fā)人員只需要按照設(shè)計要求對屏幕進(jìn)行布局，用集成開發(fā)環(huán)境來直接拖和畫出各個菜單、按鈕、滾動條、窗口等不同類型的對象。 Visual Basic 簡介 Visual Basic 概況 Vi sual Basic 稱得上是 Microsoft公司迄今為止最成功 的開發(fā)工具，在全世界擁有數(shù)以萬計的用戶。④不能實(shí)現(xiàn)端口操作和實(shí)時控制。 MATLAB語言在各國高校與研究單位起著重大的作用。 接下來，通過階梯目標(biāo)模擬推掃成像實(shí)驗(yàn)獲得了同一目標(biāo)場景的多幀條紋圖像，利用目標(biāo)距離像和強(qiáng)度像重構(gòu)算法獲得了目標(biāo)距離像和強(qiáng)度像，并對計算結(jié)果與實(shí)測值進(jìn)行了對比。 本章的研究工作是條紋管激光成像系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理技術(shù)研究的重要內(nèi)容，為條紋管激光成像系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理技術(shù)研究工作提供了理論支持，對于條紋管激光成像系統(tǒng)的發(fā)展具有重要意義。 本章小結(jié) 本章在上一章已建立的條紋圖像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)硬件的基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析了條紋管激光成像系統(tǒng)及其數(shù)據(jù)處理硬件對條紋圖像數(shù)據(jù)處理提出的要求，并對條紋圖像數(shù)據(jù)處理內(nèi)容進(jìn)行了深入討論。使目標(biāo)上部分區(qū)域回波信號不能被探測到，導(dǎo)致重構(gòu)后的目標(biāo)距離像上可能出現(xiàn)斷層，目標(biāo)強(qiáng)度像上可能出現(xiàn)強(qiáng)度失真。影響回波信號的方向和強(qiáng)度，必須對獲得的原始條紋圖像進(jìn)行相應(yīng)的修正。下面就將對誤差的產(chǎn)生進(jìn)行討論。從下圖的目標(biāo)距離三維像中可以更好的觀察目標(biāo)物的三維距離特征： 圖 36 目標(biāo)三維距離像 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 由上面的分析可以看出目標(biāo)的距離像和強(qiáng)度像可以基本如實(shí)反映出目標(biāo)的三維距離信息 +強(qiáng)度信息。 下面的 12幅圖像時用條紋管激光雷達(dá)對目標(biāo)從上到下一次橫向掃描得到的條紋管圖像，將這 12幅圖像用上面提到的方法進(jìn)行處理： 圖 34 成像實(shí)驗(yàn)原始圖像 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 得到的距離像與強(qiáng)度像如圖 35所示： a