激光主动照明偏振成像及图像融合算法研究

论文摘要

本文采用了激光主动照明与偏振成像技术相结合的方法以实现复杂气象条件或恶劣环境下的目标图像获取,并研究先进图像融合算法提升图像质量。基于此技术围绕激光束的传输变换及质量评估、激光能量计算、先进偏振图像融合算法等多方面循序渐进的开展了相关研究工作,旨在为后续研究奠定理论与技术基础,加快激光主动照明偏振成像技术的工程化应用进程。首先,本文依据理论计算与数据分析的结果选择了照明用激光波段,提出了光束传输质量评估方法,推导了激光功率的计算方法。其中,激光波段依据大气窗口、目标特性、吸收效应等因素进行选择;光束传输质量评估方法兼顾激光扩束与视轴失配损耗、大气湍流效应对光强分布的影响、光束的漂移与扩展等因素;根据探测器端灵敏度、图像对比度、信噪比等方面详细计算分析了激光功率要求。其次,搭建平台研究烟尘环境下的静态主动式偏振成像技术。使用532nm连续激光器经过准直与扩束后作为照明光源,以金属子弹模型为探测目标,在有机玻璃罩内通过烟雾发生器营造烟尘环境,采用可调节旋转偏振片实现偏振方向旋转,利用LM135相机采集图像,在matlab平台下进行图像处理。根据实验结果对比分析各种环境下的偏振成像效果,在图像信息熵、平均梯度、空间频率、标准差等方面数据量化激光照明及偏振成像技术在烟尘环境及暗弱条件下的成像优势。然后,为进一步提高暗弱环境下的目标图像获取质量,深入研究偏振图像与可见光图像的融合算法。提出了基于特征提取与视觉信息保留的图像融合方法、基于潜在低秩表达的图像融合方法、基于离散余弦变换和局部空间频率的图像融合方法,通过对实验图像的融合比对了算法性能的优劣。最后,为提高融合算法的实时性,根据激光主动照明与偏振成像技术相结合的特殊应用环境,提出了模糊自适应偏振图像融合算法。融合图像较可见光图像的信息熵平均提高了1.75倍,平均梯度提升了6.2倍,该算法简单可靠,实时性高,进一步提升了探测距离与图像对比度、信噪比,扩充了图像的可挖掘信息,尤其对于低能见度条件下的暗弱目标成像优势明显,为该技术的应用提供了重要的数据参考与技术铺垫。本文深入研究激光主动照明下的偏振成像技术及其图像融合算法,该技术可抑制背景噪声、提高探测距离、获取目标细节特征、识别目标伪装并区分引诱物。在精确制导、战场侦察、安控、智能交通、医疗等领域具有指导意义和广泛的应用前景。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第1章 引言
•   1.1 课题研究背景及意义
•   1.2 关键技术的国内外研究现状及发展趋势
•     1.2.1 激光主动照明技术国内外研究现状及发展趋势
•     1.2.2 偏振成像技术国内外研究现状及发展趋势
•     1.2.3 基于偏振的图像融合技术国内外研究现状及发展趋势
•   1.3 技术瓶颈与关键科学问题
•   1.4 论文研究内容与工作安排
•   1.5 小结
• 第2章 激光传输质量评估及功率计算
•   2.1 激光主动照明系统及关键技术
•     2.1.1 连续辐照式激光主动照明系统
•     2.1.2 基于距离选通的激光主动照明系统
•     2.1.3 激光主动照明系统的关键技术分析
•   2.2 激光波段选择
•     2.2.1 大气窗口分析
•     2.2.2 目标材质与激光波段的响应特性分析
•     2.2.3 激光波段选择分析
•   2.3 激光在大气中的传输变化及质量评估
•     2.3.1 大气吸收效应
•     2.3.2 大气湍流效应对光强分布的影响
•     2.3.3 大气湍流造成的光束漂移与扩展分析
•     2.3.4 激光视轴失配损耗分析
•   2.4 激光传输链路模型及激光功率计算
•     2.4.1 基于传输链路与探测器灵敏度的激光功率计算
•     2.4.2 基于传输链路与图像对比度的激光功率计算
•     2.4.3 基于传输链路与图像信噪比的激光功率计算
•   2.5 双视场收发一体激光主动照明偏振成像光学系统设计
•   2.6 小结
• 第3章 烟尘环境下的激光主动照明偏振成像效果评估
•   3.1 偏振成像理论
•     3.1.1 偏振光的数学描述
•     3.1.2 偏振光学系统的表征方法
•   3.2 主动式偏振成像实验平台
•   3.3 类比差别实验及成像效果评估分析
•     3.3.1 成像对比分析方法
•     3.3.2 无烟雾情况下的成像分析
•     3.3.3 有烟雾情况下的成像分析
•   3.4 小结
• 第4章 基于主动式偏振成像的图像融合算法研究
•   4.1 基于偏振成像的图像融合技术
•     4.1.1 图像融合层次
•     4.1.2 图像融合方法
•     4.1.3 图像融合结果的评价标准
•   4.2 基于偏振特征提取与视觉信息保留的图像融合方法研究
•     4.2.1 偏振特征提取与精炼
•     4.2.2 图像融合及参数设置
•     4.2.3 实验结果与分析
•   4.3 基于潜在低秩表达的图像融合方法研究
•     4.3.1 低秩部分与显著部分融合
•     4.3.2 加和策略选择与图像重建
•     4.3.3 实验结果与分析
•   4.4 基于离散余弦变换和局部空间频率的图像融合方法研究
•     4.4.1 图像融合方法与策略
•     4.4.2 融合算法的步骤和参数设置
•     4.4.3 实验结果与分析
•   4.5 小结
• 第5章 模糊自适应偏振图像融合算法研究
•   5.1 模糊自适应理论
•   5.2 模糊自适应图像融合方法与策略
•   5.3 基于主动式偏振成像的实验结果与分析
•   5.4 基于模糊自适应偏振图像融合算法的深入研究
•   5.5 小结
• 第6章 总结与展望
•   6.1 论文工作总结
•   6.2 论文的主要创新点
•   6.3 后续研究工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 谢梅林

导师: 马彩文

关键词: 主动照明,激光传输变换,偏振成像,图像融合,模糊自适应

来源: 中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学,计算机软件及计算机应用

单位: 中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)

分类号: TP391.41;TN249

DOI: 10.27605/d.cnki.gkxgs.2019.000042

总页数: 164

文件大小: 12053K

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