单光子激光雷达，复杂场景三维重建的孤勇者

南京理工大学陈钱副校长、何伟基教授课题组在《激光与光电子学进展》发表的论文“复杂场景下单光子激光雷达深度估计方法”被选为2023年第10期的封面文章。论文提出了一种复杂场景下激光雷达深度估计方法，有效改善了深度图像的质量，提升了低光子水平状态下的鲁棒性。

封面解读

本封面形象展示了单光子激光雷达获取三维信息的过程：以光子飞行时间为基础，通过多脉冲测量和机械扫描获取目标的深度和强度信息，结合时域相关性和空间相关性进行相关算法设计。该单光子激光雷达可实现对多目标复杂场景的三维重建，广泛应用于**和民用领域。

文章链接

李岩, 邬淼, 何伟基, 陈钱. 复杂场景下单光子激光雷达深度估计方法[J]. 激光与光电子学进展, 2023, 60(10): 1011004.

1 研究背景

单光子激光雷达是一种结合了单光子探测技术、激光技术、电子工程、信号处理等学科的新兴交叉技术。与传统的光电成像器件相比，单光子激光雷达通过应用脉冲激光、高分辨时间相关单光子计数技术和单光子级灵敏度探测器，具有测距精度高、抗干扰能力强、作用距离远等优势，并拥有实现全天时、全天候获取目标三维信息的潜力。单光子激光雷达被广泛应用在遥感探测、**制导、地形测绘、城市建模等**和民用领域，发挥着不可替代的作用。

2 远距离单光子激光雷达

对远距离单光子激光雷达而言，由于目标返回的信号光子计数匮乏且背景噪声高，从采集的数据中重建出精确且具有鲁棒性的深度和强度图像挑战性很高。在远距离成像条件下，系统的探测背景噪声和电路噪声大量积累；而且，在激光远程传播过程中，传播介质往往具有复杂且不可预测的成分，激光能量损失较大，导致回波信号微弱，信号光子淹没在噪声信号中。虽然可以通过长探测时间或者高激光重频来分辨信号与噪声，从而改善成像性能，但这分别限制了探测速度和距离极限。因此，远距离单光子激光雷达的测距和成像是一个重要的研究课题，我们有必要针对自己的远距离激光雷达成像系统，进一步挖掘后端数据处理方面中的深度、强度图像重建潜力。

图1 远距离单光子激光雷达系统的深度重建示意图

远距离单光子激光雷达系统通过向目标持续发射脉冲激光，同时结合二维快反镜对目标场景进行逐点扫描，单光子探测器接收由目标漫反射的回波信号，时间相关单光子计数系统根据发射信号与回波信号的时间差进行深度估计，从而获得目标轮廓、距离等信息，并利用所提出的算法进行目标场景的高效低噪声重建。

3 复杂场景下单光子激光雷达深度估计方法

论文讨论了在复杂场景下的单光子激光雷达深度图像处理的问题。由于远程场景中目标多、深度多，不同深度的目标反射率不同。部分场景区域可能只有微弱的回波光子返回，信号被噪声淹没。传统方法对于这种场景无法做出针对性处理，深度估计和成像质量受到严重影响。为了解决该问题，本文提出了一种复杂场景下单光子激光雷达深度估计方法。

图2 复杂场景下单光子激光雷达深度估计方法的总体流程

如图2所示，该方法强调信号响应的时间相关性以及像素之间的空间相关性；并创新性地提出多深度层去噪方法，对激光雷达三维点云数据进行时域上的全局多深度开窗，针对性处理不同深度的目标，设置自适应阈值分离噪声和信号。研究显著缩小了时间域长度，同时抑制了背景噪声的影响。提出空像素加权填补的方法，设置大小窗口，引入强度、距离信息，更精确地填补空像素，提高对远距离光子匮乏条件的鲁棒性。在基于泊松的成本函数中引入平均曲率正则化，增加了空间相关程度考虑，并利用了具有良好收敛特性的交替乘子法从成本函数中估计深度图，有效平滑深度图像并保持了边缘部分的细节。

实验验证：三个场景实验有效改善了广泛复杂场景下深度图像的质量，包括仿真场景、远距离复杂场景（场景范围大约从400 m到2000 m，目标包括树木、电线杆、建筑物等）、近距离复杂场景（目标距离大约140 m，目标包括模特、光滑栏杆、窗户等），其中远距离复杂场景使用单像素采集时间为3 ms，每像素接收平均光子数 (PPP) 水平为9.8，信噪比(SBR)为0.28的数据作为重建数据。

图3 远距离复杂场景不同方法的重建深度图

图4 远距离复杂场景不同方法的重建点云图

从上述图中可以看出，目前主流算法MLE、PCA和SPISTA方法受到来自散射光子的影响，完全无法区分建筑物和背景噪声，具有相对较差的深度估计性能。SHIN方法成功分离了噪声和信号，能够重建出更多来自目标的光子，但是其在远处建筑物的玻璃、树木边缘、电线杆等反射率较弱的地方，丢失了大部分深度信息，导致RSNR(重建信噪比指标)较差。相比之下，本文所提出的方法获得了明显更好的图像结果，重建出较为完整的目标轮廓，对于不同反射率区域做出自适应的处理，更多的保留弱反射物的深度信息，更有效地处理了背景噪声。与其他方法相比，在估计精度上RSNR提高了至少23.6%。

科研团队介绍

本研究团队隶属于南京理工大学“光学工程”国家重点学科、“近程高速目标探测”**重点实验、“光谱成像与智能感知”江苏省重点实验室和“教育部长江学者创新团队”，团队主要研究软X射线到亚毫米波段之间，特别是紫外至红外具有光学共性的电磁波段，实现辐射信息探测、传输、处理与显示的新理论、新技术、新方法与新装置，多年的科学研究使本团队在光谱成像与信息处理、光电子材料与器件等领域形成了自己的优势和特色，总体研究水平居国内先进地位，其中部分研究成果保持国内领先、国际先进水平。团队每年承担承担国家、国务院各部委及地方各类课题 30 项以上，科研经费 3000 万元以上。其中，国家 973 项目、国家 863 项目、国家自然科学基金、国家重大装备预研、型号、基金、演示论证等课题近 20 项。每年发表在 IEEE/IEE、Physical Review、Applied Physics Letters、Optics Letters、Optics Express、Applied Optics、中国科学、电子学报、物理学报等国内外期刊和学术会议上发表学术论文将近200余篇。

作者介绍

李岩（第一作者），南京理工大学硕士研究生，主要研究方向为激光雷达图像处理。

何伟基（通讯作者），南京理工大学研究员，博士生导师。主要从事光电成像技术及应用研究。近五年来，发表学术期刊论文40余篇，SCI收录30余篇；获授权发明专利40余项，其中第一发明人专利20余项；作为主要完成人获国家技术发明二等奖1项、国家科技进步二等奖1项以及其他省部级科技成果4项。