检索结果-南通市图书馆

作者：陈胜兰西安工业大学

学位级别：硕士

盖革模式雪崩光电二极管(Geiger Mode Avalanche Photon Diode,gm-apd)阵列激光雷达是一种新型的非扫描式的光子计数雷达,可以响应单光子级能量的回波信号,具有极高的探测灵敏度,使得探测微弱信号成为可能,已被广泛应用于巡航制导、地... 详细信息

盖革模式雪崩光电二极管(Geiger Mode Avalanche Photon Diode,gm-apd)阵列激光雷达是一种新型的非扫描式的光子计数雷达,可以响应单光子级能量的回波信号,具有极高的探测灵敏度,使得探测微弱信号成为可能,已被广泛应用于巡航制导、地形测绘、水下探测等领域。但由于gm-apd是概率型器件且激光在介质中具有快速衰减的特性,导致探测到的回波信号过于稀疏,需要大量累计才能恢复出目标回波信号,限制了激光雷达在快速成像场合下的应用;另一方面由于gm-apd探测灵敏度高,易受到噪声干扰,导致探测距离产生偏差,限制了激光雷达在精准定位场合下的应用。因此,本文围绕GM-APD阵列激光雷达成像实时性差、准确性低的问题,对GM-APD阵列激光雷达回波信号开展降噪算法研究。本文从GM-APD阵列激光雷达系统探测原理入手,对激光雷达的噪声特性进行分析,通过激光雷达回波信号的光子分布,建立了GM-APD阵列激光雷达的回波信号触发概率分布模型,结合概率密度函数、累积概率函数和Mente Carlo随机抽样方法,实现了对回波信号数据的仿真,为进一步开展降噪算法的研究奠定基础。针对GM-APD阵列激光雷达成像实时性差的问题,本文对经典卡尔曼滤波算法、简化sage-husa自适应算法进行研究,并在时间相关自适应卡尔曼滤波算法的基础上进行改进,通过增加合理性检验,对光子数据集合进行幅值判断,解决了野值导致的滤波异常问题。仿真结果表明:改进的时间相关自适应卡尔曼滤波算法与简化sage-husa自适应算法相比均方根误差降低了62.10%,单帧程序运行时间减少46.07%,能够实现快速降噪。针对GM-APD阵列激光雷达成像准确性低的问题,本文基于经验模态分解法(Empirical Mode Decomposition,EMD)思想对回波信号进行降噪处理。在EMD时间尺度降噪法和EMD自适应软阈值降噪法的基础上,提出了EMD修正阈值法,通过修正各模态函数的阈值来代替相关模态判别法,解决了噪声和信号的分界点选取不稳定带来滤波不准的问题。仿真结果表明:EMD修正阈值法相比于EMD-滑动平均算法在固定帧数为200时均方根误差降低了11.80%,峰值信噪比提高了12.86%,实现了对目标距离信息的准确获取。最后,搭建了64×64 GM-APD阵列激光雷达成像实验平台,开展了基于gm-apd阵列的激光主动成像实验。实验结果表明,改进的时间相关自适应卡尔曼滤波算法去噪后目标轮廓清晰,单帧运行时间相较于经典卡尔曼滤波算法和简化sage-husa自适应算法分别降低了66.93%和83.7%;本文提出的EMD修正阈值法去噪后目标完整度较好,峰值信噪比相较于EMD时间尺度降噪法、EMD-SG滤波算法、EMD-滑动平均算法分别提高了39.8%、39.2%、28.3%。因此,所提算法能有效地处理实际测量得到的回波信号,提高了GM-APD阵列激光雷达成像的实时性和准确性。

关键词： GM-APD阵列激光雷达回波信号降噪技术卡尔曼滤波算法经验模态分解法

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GM-APD阵列激光雷达目标探测算法研究

Gm-APD阵列激光雷达目标探测算法研究

作者：姜若旭哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

作为一种主动成像技术,激光雷达已经成为现在目标探测领域的研究热点。gm-apd（Geiger-Mode of Avalanche Photodiodes）阵列激光雷达,拥有单光子灵敏度与亚皮秒量级的时间分辨率,可以对远距离、弱信号目标进行探测。本文应用该探测器... 详细信息

作为一种主动成像技术,激光雷达已经成为现在目标探测领域的研究热点。gm-apd（Geiger-Mode of Avalanche Photodiodes）阵列激光雷达,拥有单光子灵敏度与亚皮秒量级的时间分辨率,可以对远距离、弱信号目标进行探测。本文应用该探测器来获取远距离探测目标的强度像和距离像,研究了DSP平台的目标探测算法,并对算法进行了仿真。本文首先介绍了GM-APD阵列激光雷达的工作原理,同时根据光子的泊松特性建立出GM-APD阵列激光雷达的泊松概率模型。根据实际项目要求,探测目标特征是远距离、小目标,在64×64的探测阵列中只占有少部分像素点,根据这个特征,本文利用目标的稀疏性,通过累计测量得到的光电子数和雪崩泊松概率,选用稀疏泊松重构算法逆推出探测目标的实际强度信息。本文根据实际探测环境进行了仿真研究,估计的反射率分布与真实目标的反射率分布之间误差矩阵的Frobenius范数（F范数）为3.08,通过与中值滤波与累加近似进行对比,得出该算法的误差更小,精度更高。其次,由于探测目标的稀疏性,本文利用正交匹配追踪算法（orthogonal matching pursuit,OMP）来计算目标距离的稀疏估计解后,通过解的范围,筛除不正确的距离值后,通过稀疏泊松重构算法求解出探测目标的距离值。通过改变正则化参量的大小,分析重构距离值噪声与精度之间的关系,得出随着正则化参量的增加,距离值精度升高,但噪声明显增多。最后,利用DSP芯片拥有独立硬件乘法单元以及可以对浮点数进行运算的优势,将本文所研究的算法在DSP平台进行仿真验证,并对仿真结果进行分析。

关键词： GM-APD阵列激光雷达稀疏泊松概率 DSP

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激光雷达图像重构技术研究及多核DSP实现

激光雷达图像重构技术研究及多核DSP实现

作者：战箫笛西安工业大学

学位级别：硕士

gm-apd(Geiger-Mode of Avalanche Photo diodes)阵列激光雷达因其能耗低、探测距离远等优势在军事目标探测领域成为研究热点。针对目前激光雷达目标探测图像重构计算复杂度高、耗时长的问题,本文研究了激光雷达图像重构技术,选取多核DS... 详细信息

gm-apd(Geiger-Mode of Avalanche Photo diodes)阵列激光雷达因其能耗低、探测距离远等优势在军事目标探测领域成为研究热点。针对目前激光雷达目标探测图像重构计算复杂度高、耗时长的问题,本文研究了激光雷达图像重构技术,选取多核DSP作为图像重构处理硬件平台,将本文所提重构算法在多核DSP上进行并行设计与实现,并优化了代码和存储器性能,提高了图像重构的处理速度。具体研究内容如下:首先分析GM-APD阵列激光雷达工作机理,然后从目标回波信号模型入手,构建了gm-apd触发概率模型,探究回波信号强度与gm-apd探测概率密度之间的映射关系,采用多脉冲累积探测体制,研究了基于半高宽拟合的gm-apd回波数据三维图像重构方法,实现对目标图像的高品质重构。基于PC平台验证了所提算法的性能,结果表明,所提重构方法与低信噪比下的gm-apd回波数据三维图像重构方法相比,运算速度提升114%。针对PC平台体积大、功耗高的问题,选取多核DSP TMS320C6678作为图像重构硬件平台,设计了基于Fork-Join方式与数据流相结合的并行处理方案,构建了基于共享内存模式的核间同步通信方法,并在裸机开发环境下对图像重构算法进行了基于多核DSP的测试。实验结果表明,基于多核DSP的算法运行速度相较单核由7.37s缩短至4.75s,运算速度提升36%。为了提升三维图像重构算法在多核DSP上的运行速度,利用性能探查工具获取程序中各函数所需时钟周期,分析了各函数执行时间、调用次数等指标,明确程序的性能瓶颈。对代码进行了关键字优化、编译器优化以及循环优化,对存储器进行了基于存储器带宽优化以及基于Cache优化,有效利用了存储空间,减少数据的冗余计算,提升了代码执行的效率。在多核DSP平台上进行了优化测试,实验结果表明,优化后运行时间相较优化前缩短至3.62s,运算速度提升24%。

关键词： GM-APD阵列激光雷达图像重构 DSP OpenMP

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基于阵列激光雷达的小目标探测电路设计

基于阵列激光雷达的小目标探测电路设计

作者：郭阳哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

具备单光子检测灵敏度与极快光电反应速度的gm-apd（Geiger-Mode of Avalanche Photodiodes）阵列激光雷达,可应用于远距离、小目标的探测。针对非合作小目标的远距离探测,本文采用64×64像素的gm-apd阵列作为探测器,设计基于该阵列激... 详细信息

具备单光子检测灵敏度与极快光电反应速度的gm-apd（Geiger-Mode of Avalanche Photodiodes）阵列激光雷达,可应用于远距离、小目标的探测。针对非合作小目标的远距离探测,本文采用64×64像素的gm-apd阵列作为探测器,设计基于该阵列激光雷达的小目标探测电路及相应的小目标探测算法。在保证成像帧频的基础之上,实时地对小目标进行捕获及跟踪,有效提升系统对目标的探测率。首先,阐述GM-APD阵列激光雷达测距和强度像成像原理。结合目标的微小特征和噪声的泊松分布特性,采用一种小目标探测算法。压缩少量帧图像数据,通过稀疏性正则化的泊松去噪算法实现目标强度信息的增强重构,利用强度信息分布判断目标的位置,从而实现对其的捕获。之后考虑单帧距离像中与目标距离值的相关性信息,完成对目标的跟踪。其次,结合课题应用需求,对相关技术指标进行分析之后,选择基于DSP和FPGA协同配合的双处理器模式作为硬件整体设计方案,并完成主要芯片的选型。完成小目标探测电路的原理图和PCB设计、制板焊接以及调试。总结设计PCB需要注意的问题和走线方法,电路调试结果正常。最后,介绍FPGA和DSP各模块软件设计与实现,并在电路上完成了测试验证。对电路调试过程中遇到的问题予以分析,总结经验教训。分析比较了本文采用的小目标探测算法和光子累计计数法的目标还原度、图像信噪比、运算复杂度和运算时间。结果表明本文采用的算法有效提高了目标探测的准确率,且具有实时性。

关键词：小目标探测 GM-APD阵列激光雷达 DSP FPGA