1 国防科技大学电子科学学院湖南长沙 410073
2 国防科技大学气象海洋学院湖南长沙 410073
迭代最近点法(ICP)及其变体是三维点云刚性配准的典型方法, 但此类通过迭代计算逐点距离矩阵实现点云配准的方式, 严重制约了点云的配准效率。本文提出一种快速 ICP算法, 利用 Frobenius范数表示待配准的两幅点云之间的误差函数, 获得误差值最小点位置, 并对此位置进行奇异值分解, 从而得到旋转矩阵和平移向量, 极大压缩了迭代次数和配准时间。在 Standford数据集和 3DMatch数据集上进行试验, 与传统 ICP算法及其变体、3种基于学习的点云配准算法进行对比, 本文方法配准效率最优; 在达到相近的配准精确度时, 提出的快速 ICP方法的迭代次数仅为传统 ICP算法的 0.2倍, 在 Standford数据集上配准所需时间为传统 ICP算法的 1/4, 在 3D Match数据集上配准所需时间为传统 ICP算法的 1/8倍。本文提出的快速 ICP算法在数据量大的点云场景下, 具有更高的效率。
三维计算机视觉 点云数据处理 点云配准 快速迭代最近点法 Frobenius范数 奇异值分解 3D computer vision point cloud data processing point cloud registration fast iterative closest point method Frobenius norm Singular Value Decomposition(SVD) 太赫兹科学与电子信息学报
2023, 21(10): 1263
1 华中科技大学武汉光电国家研究中心，湖北 武汉 430074
2 华中科技大学光学与电子信息学院，湖北 武汉 430074
3 湖北光谷实验室，湖北 武汉 430074
光谱分离成像是一种可同时获取光谱信息、空间位置信息的探测技术，被广泛应用于地理、环境、生物、光学等领域，集成化是该技术的重要发展方向之一。提出了一种基于超透镜的光谱分离技术，采用选择性光谱响应单元结构对红、绿、蓝（RGB）三个波段的聚焦相位进行编码，基于单片器件即可收集不同位置的光谱信息，简化了获取光学信息的过程，推动了小型化光谱分离成像器件的进一步发展。
探测器 光谱分离成像 超表面 多焦点超透镜 几何相位 中国激光
2023, 50(18): 1813014
1 国防科技大学电子科学学院, 湖南 长沙 410073
2 国防科技大学气象海洋学院, 湖南 长沙 410073
为解决激光雷达点云深度学习网络模型在移动端嵌入式设备部署存在的耗时耗存储问题,提出了一种激光雷达点云可学习二值量化网络模型。该模型基于特征的知识蒸馏,将全精度网络各层统计特征知识转移到二值量化网络,较大幅度地提升了量化精度;提出基于遗传算法的二值量化尺度因子恢复可学习优化算法,通过逐层搜索初始最优尺度恢复因子,并通过网络自学习大幅减少网络参数量;提出一种统计自适应池化损失最小化算法,包括量化网络自调节和全精度网络转移调节两种方式,以解决量化网络中池化信息损失较大的问题。实验结果表明,所提算法在获取高精度的同时实现了较大压缩比和加速比,可将PointNet大小压缩为原来的1/23、加速35倍以上,对其他点云主流深度网络具有良好的扩展性。
测量 激光雷达 点云 可学习算法 二值量化 遗传算法 光学学报
2022, 42(12): 1212005
1 国防科技大学 电子科学学院，湖南 长沙 410073
2 中国科学院西安光学精密机械研究所 超快诊断技术重点实验室，陕西 西安 710119
3 中国电子科技集团公司第二十七研究所，河南 郑州 450047
4 西北工业大学 光学影像分析与学习中心，陕西 西安 710072
5 国防科技大学 气象海洋学院，湖南 长沙 410073
针对水下目标探测应用场景，给出了相应的532 nm波长激光雷达系统参数，结合条纹管激光雷达和载波调制激光雷达的优点，设计研制了一套水下三维成像增程激光雷达原理样机。相对于常见的微波调制激光产生高频脉冲的方案，该原理样机采取调Q技术压缩激光脉冲，再结合F-P腔的特性产生高频激光脉冲，具有峰值功率高和输出能量高的优点。实验结果表明，该原理样机在清水环境中成像距离优于20 m，能够捕捉到13 m处直径9 mm的目标细节；在浊水环境中的信号处理增程能力达到81.4%，相对距离分辨误差为0.01 m。所获得的实验结果为进一步提升水下激光雷达的成像距离和分辨率进而发展水下成像装备奠定了基础。
高分辨率 水下成像 激光雷达 增程 high resolution underwater imaging lidar range-extended 红外与激光工程
2022, 51(3): 20210204
1 国防科技大学电子科学学院, 湖南 长沙 410073
2 国防科技大学气象海洋学院, 湖南 长沙 410073
激光雷达可以准确、快速获取目标的三维(3D)空间信息,是一种常用的高分辨率成像技术。结合高频脉冲激光器、条纹相机以及信号处理技术,设计了一套激光雷达3D成像系统。其中,脉冲激光具有高峰值功率的特点,可以有效探测远距离目标物。相比高频微波调制的激光脉冲,结合脉冲压缩和法布里-珀罗腔振荡可以获得高能量的激光脉冲。条纹相机是一种具有快速微弱光探测能力的高速相机,可对远距离目标进行探测。采用均值滤波和邻域均值滤波方式抑制条纹相机的背景噪声,采用带通滤波和匹配滤波抑制低频噪声、提高信噪比,根据噪声的强度分布,用阈值滤波滤除剩余噪声,最终获得高精度的3D目标图像。在空气、烟雾中的3D目标成像实验结果表明,本系统具有较高的距离分辨率和目标细节捕捉能力。
遥感 激光雷达 高分辨率 条纹相机 噪声处理 光学学报
2021, 41(16): 1628002
1 国防科技大学 电子科学学院，湖南 长沙 410073
2 国防科技大学 气象海洋学院，湖南 长沙 410073
在激光雷达的水下应用中，由于水体对光的吸收和散射作用使得激光在水下的传输复杂多变，尤其是后向散射所造成的噪声会降低目标对比度甚至淹没目标回波，导致水下激光回波检测面临挑战。副载波调制技术可以有效地改善激光雷达系统水下探测性能，提高目标回波信号的信噪比。基于Monte Carlo方法提出了改进的副载波调制脉冲激光雷达水下传输模型，研究了海水衰减系数和通频带等因素对于系统性能的影响。仿真结果表明：相比于传统激光雷达，水体环境参数、滤波过程中的通频带选择对于系统水下探测性能影响较大；副载波调制技术可以提高目标回波信噪比和测量精度，有效改善系统性能。
水下激光雷达 副载波调制技术 Monte Carlo方法 目标回波信噪比 测量精度 underwater lidar sub-carrier modulation technology Monte Carlo method target echo signal-to-noise ratio measurement accuracy 红外与激光工程
2020, 49(S2): 20200185
国防科技大学 电子科学学院，湖南 长沙 410073
复杂的水体环境，特别是水中微粒的吸收和散射作用，使得水下激光雷达测距系统的接收信号中存在大量的后向散射杂波。随着距离的增大，目标回波会逐渐淹没在杂波中，而副载波调制技术可以有效地提升目标对比度，实现水下激光雷达的测距增程。首先建立了光子在海水中传输的蒙特卡洛仿真模型，然后研究了结合激光雷达优势和微波雷达优势的副载波调制技术，给出了伪随机序列作为副载波时发射、接收和相关处理的详细步骤，最后对四种不同类型的副载波(方波、锯齿波、正弦波和伪随机序列波)在不同的水质和发射脉冲宽度的情况下进行了仿真研究。结果表明：伪随机序列对于目标对比度的提升方面性能最好。
副载波调制 激光雷达测距 蒙特卡洛仿真法 海洋光学 伪随机序列 subcarrier modulation lidar ranging Monte Carlo simulation ocean optics pseudo-random sequence 红外与激光工程
2020, 49(S2): 20200193
1 北京教育网络和信息中心, 北京 100089
2 陆军军医大学(第三军医大学) 生物医学工程与影像医学系, 重庆 400038
3 国防科技大学 电子科学学院, 湖南 长沙 410073
由于高光谱遥感图像的混合程度较高, 使得传统的非负矩阵欠逼近(Nonnegative Matrix Underapproximation, NMU)算法所提取的基本成分仍然“不纯”, 且易受噪声影响。针对这些不足, 提出了一种基于L1/2正则化的软阈值NMU逐次光谱解混算法。首先, 通过引入丰度的L1/2正则项来增强算法的地物区分能力, 进而提高所分离地物的纯度; 其次, 利用软阈值惩罚函数代替NMU中的残差非负约束, 通过调节惩罚因子来控制非负元素的数量, 从而提高算法的抗噪性能。在仿真数据和实测数据上的实验结果表明, 即使在有噪声的条件下, 该算法也能得到较好的分离结果。
高光谱遥感 光谱解混 非负矩阵欠逼近 hyperspectral remote sensing spectral unmixing nonnegative matrix underapproximation 红外与激光工程
2019, 48(7): 0726003
