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申请/专利权人：哈尔滨工业大学

摘要：本发明是一种基于双Gamma估计的单光子激光雷达透雾成像方法。本发明涉及白天室外雾天成像技术领域。本发明通过使用基于多项式分布的观察模型来补偿非信号光子产生的堆积效应，以及采用两次Gamma估计来消除非信号光子，最终将极其低SBR条件下的信号光子从非信号光子散射和噪声光子中分离出来。本发明对每个像素探测的直方图进行第一次Gamma拟合，实现直方图数据的矫正；采用基于多项式分布的观察模型来补偿非信号光子产生的堆积效应，实现回波光子的计算；采用第二次的Gamma拟合实现信号光子与非信号光子的分离，基于每个像素分离出来的信号光子实现目标深度图像的重构。

主权项：1.一种基于双Gamma估计的单光子激光雷达透雾成像方法，其特征是：所述方法包括以下步骤：步骤1：对每个像素探测的直方图进行第一次Gamma拟合，实现直方图数据的矫正；步骤2：采用基于多项式分布的观察模型来补偿非信号光子产生的堆积效应，实现回波光子的计算；步骤3：采用第二次的Gamma拟合实现信号光子与非信号光子的分离，基于每个像素分离出来的信号光子实现目标深度图像的重构；所述步骤1具体为：对于光子计数雷达在雾天环境下探测得到的光子，主要包含烟雾散射光子λfog、目标反射光子λtarget、背景光子λb以及系统噪声，每个光子计数都来自泊松分布P.分布，通过下式表示：ht～P[λt]＝P[λtargett+λfogt+λb+bd]1λtargett＝ηαft-2Rc2其中，λ为平均光子数，η表示探测器的量子效率，α表示目标的反射光子数，由激光雷达方程计算得到，f表示系统脉冲响应函数，R表示目标距离值，c为光速，bd表示探测器的暗计数；光子经过散射介质时发生多次散射，散射光子在时域上满足Gamma分布，散射光子时域分布通过下式表示： 其中，K为最大散射次数，r与烟雾的后向散射系数相关，β为每个时间Bin内到达探测器焦平面的平均散射次数；采用多项式分布来建模观测的直方图，在白天室外雾天环境下观测得到的单个像素直方图h的概率Ph|λ满足关系： 其中，T为最大Bin数，N为总脉冲个数，对上式求似然函数： 通过极大似然求解，得到第i个时间Bin的光子数为： 其中，单脉冲条件下的目标回波光子为λtarget'＝λ-λfog-λb-bd；对直方图数据h1进行逐像素去噪预处理，由泊松触发后的直方图分布是Gamma分布，对直方图数据h1进行Gamma参数估计，估计烟雾散射光子的轮廓信息，随后计算估计残差Δh＝h1-y1，残差Δh中包含了信号光子，采用对数匹配滤波算法搜寻目标的初始位置，以该位置为中心点选择信号窗口ε，窗口宽度为2个系统响应函数脉宽，将Δh中在窗口ε内的光子保留，作为初始信号光子；设定光子数阈值为ξ，当在信号窗口之外的|Δh|ξ，将对应时间bin上的光子数以平滑滤波窗口大小为2FWHM后的数值进行替换，最终得到完成矫正后的直方图数据h2；所述步骤2具体为：对于矫正后的数据h2，采用极大似然函数求解式6，得到到达探测焦平面上的光子率函数λ，采用中值估计算法得到噪声参数，进而得到只包含烟雾散射光子和信号反射光子的回波信号h3；再次采用极大似然估计算法对满足Gamma分布的烟雾散射回波进行估计，得到平均散射次数β和最大散射次数K；通过最小二乘法优化得到λfog，进而将信号光子从散射光子中分离出来λtarget＝h3-λfog。

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