短波红外激光非视域三维成像系统及性能研究

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1、硕士学位论文短波红外激光非视域三维成像系统及性能研究RESEARCHONSYSTEMEANDPERFORMENCEFORSHORTWAVEINFRAREDLASERNON-LINE-OF-SIGHTTHREE-DIMENSIONALIMAGING张飞翔哈尔滨工业大学2016年6月国内图书分类号：O439学校代码：10213国际图书分类号：535密级：公开理学硕士学位论文短波红外激光非视域三维成像系统及性能研究硕士研究生：张飞翔导师：靳辰飞副教授申请学位：理学硕士学科：光学所在单位：物理系答辩日期：2016年6月授予学位单

2、位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:O439U.D.C:535DissertationfortheMasterDegreeinScienceRESEARCHONSYSTEMEANDPERFORMENCEFORSHORTWAVEINFRAREDLASERNON-LINE-OF-SIGHTTHREE-DIMENSIONALIMAGINGCandidate：ZhangFeixiangSupervisor：AssociateProf.JinChenfeiAcademicDegreeAppliedfor：Master

3、ofScienceSpeciality：OpticsAffiliation：DepartmentofPhysicsDateofDefence：June,2016Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要目前激光成像技术正被广泛应用于军事和民用领域，而在各种成像场景中，障碍物对成像视线的遮挡是最为常见的情况。传统的成像方式无法对视线外的场景进行有效探测，因而急需要新的成像技术来解决这一问题。激光非视域成像技术是近年出现的一种新的成像技术，通过类

4、似拐角成像的特殊成像方式，实现对隐藏目标的探测。得益于微弱光信号探测技术的发展，特别是具有单光子探测能力的光子探测器件的飞速发展，使得我们可以利用探测器接收多次散射光子所携带的时间信息，来实现对隐藏目标的场景重建。考虑到激光非视域成像对人眼安全的应用需求，本文提出了一种短波红外非视域成像机制，实现对视线外多个目标的三维重构，重建分辨率在15cm左右。根据非视域成像原理设计成像系统，搭建了成像实验系统，对非视域目标进行三维重建。我们的实验装置包含一个的1550nm波段的光纤飞秒激光器，脉宽90fs。由于光信号经历多次散射，

5、最终探测器接收到的光信号非常弱，达到光子量级。我们利用高灵敏度的盖革APD探测器接收光子，时间分辨率可达150ps，利用时间相关单光子计数模块采集数据。分析了散射回来的时域信号的各个组成部分，并利用反投影三维重建算法，实现对视线外多个目标进行图像重构，准确还原了非视域场景内的目标个数及形状。分析了目标三维重建算法，并对其进行优化研究。对比分析了两种滤波算法，结果显示三维高斯拉普拉斯算法具有极强的边缘检测能力，能有效提取目标边缘信息，实现图像锐化。研究了滤波器参数对重建质量的影响。提出了一种分层阈值处理算法，选择三维图像中

6、每层图像强度最大值的0.7倍作为阈值，对重建像中伪点噪声进行阈值操作，有效消除不同目标信号之间的相互干扰。研究了激光非视域成像系统的性能。实现了单点目标在非视域场景中的定位。基于搭建的系统，双点目标在横向和纵向的分辨率分别可达到15和5厘米量级。进行了非视域成像重构时间的研究，分析了不同采样点个数、范围以及单点不同的采样时间对成像质量的影响。该项技术成熟后，有望应用于战场监视、搜索营救、公共交通、医学诊疗等领域。关键词：非视域成像；时间相关单光子计数；滤波优化；成像分辨率IAbstractAbstractLaserima

7、gingtechnologyisnowwidelyusedinmilitaryandcivilfields.Amongvariousimagingscenarios,obstaclesblockingthelineofsightarethemostcommonscenarios.Becauseconventionalimagingmethodscannoteffectivelydetectthesceneoutofsight,sosomenewimagingtechnologyareexpectedtoresolveth

8、isproblem.Lasernon-lineofsight(NLOS)imagingisanewimagingtechniqueemergedinrecentyearswhichcandetecthiddentargetsbyadoptingspecialimagingmethodsimilartocornerim