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非视域成像技术是对视域外隐藏目标进行光学成像的新兴技术. 由于历经多次漫反射, 信号回波微弱, 门控单光子雪崩二极管(single-photon avalanche diode, SPAD)在低信噪比环境中探测信号发挥了重要作用. 然而, 实际使用门控SPAD进行目标信号探测时, 现有方法多需要借助先验信息进行门宽位置预设, 无法完全避免非目标信号干扰和信号丢失, 并且存在数据采集量大、耗时长等问题. 针对上述问题, 本文利用三角定位原理和少量特征点信息, 提出一种自适应门控算法, 该算法可自动识别回波信号并计算其宽度, 无需额外先验信息或人工干预, 降低数据采集量, 提高处理效率等功能. 同时, 搭建了基于门控SPAD的共焦非视域成像系统, 对提出的算法进行验证. 此外, 本文就门控SPAD对目标信号提升效果和目标成像质量进行了定量评估, 并对比了主流的非视域图像重构算法成像质量. 实验结果表明, 自适应门控算法可以有效识别回波信号, 实现门控参数的自动调节, 并在减少数据采集量、提升处理效率的同时, 提高目标成像质量.Non-line-of-sight (NLOS) imaging is an emerging optical imaging technique used for detecting hidden targets outside the line of sight. Due to multiple diffuse reflections, the signal echoes are weak, and gated single-photon avalanche diode (SPAD) plays a pivotal role in signal detection under low signal-to-noise ratio (SNR) conditions. However, when gated SPAD is used for detecting a target signal, existing methods often depend on prior information to preset the gate width, which cannot fully mitigate non-target signal interference or signal loss. Additionally, these methods encountered some problems such as large data acquisition volumes and lengthy processing times. To address these challenges, an adaptive gating algorithm is proposed in this work based on the principle of maximizing the distance from the vertex of a triangle to its base. The algorithm possesses advantages of the linear variation in scan point positions and the echo information from specific feature points. It can automatically identify echo signals and compute their widths without additional prior information or manual intervention. This method reduces the amount of data collected, improves processing efficiency, and has other benefits. Moreover, a confocal NLOS imaging system based on gated SPAD is developed to validate the proposed algorithm. The work further quantitatively evaluates the enhancement of target signal detection and image quality achieved by gated SPAD, and compares its imaging performance with leading NLOS image reconstruction algorithms. Experimental results demonstrate that the adaptive gating algorithm can effectively identify echo signals, facilitate automatic adjustment of gating parameters, and significantly improve target imaging quality while reducing data acquisition volume and enhancing processing efficiency.
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Keywords:
- non-line-of-sight imaging /
- adaptive gating /
- signal-to-noise ratio
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采集信号 常规方法
抑制常规方法
抑制三角定位法
抑制起点 1103 1116 1090 1105 终点 1181 1148 1170 1178 宽度/ns 0.78 0.32 0.8 0.73 起点 终点 宽度/ns 常规方法抑制情形一 13 33 0.46 常规方法抑制情形二 13 9 0.02 三角定位法抑制 2 3 0.05 起点 终点 宽度/ns 自适应计算 3127 3257 1.31 实际采集计算 3110 3251 1.41 偏差/ns 0.17 0.06 0.11 未抑制一次
回波信号抑制一半一次
回波信号完全抑制一次
回波信号一次回波峰值 36190 8811 0 目标回波峰值 372 952 805 信号信噪比 16.79 19.48 28.75 主观 目标信号被淹没 目标信号可见 目标信号突出 目标5信号
(自由模式)目标5信号(门控模式) 目标T信号
(自由模式)目标T信号
(门控模式)目标回波峰值 35 480 25 445 信号信噪比 6.79 25.54 6.15 23.21 主观 目标波形可见 目标波形清晰 目标波形可见 目标波形清晰 数据采集量 耗时/T 自由模式 一次逐点扫描 1 未抑制中介面回波信号 一次逐点扫描 1 抑制中介面回波信号 两次逐点扫描 2 自适应门控控制算法 一次逐点扫描+
四个特征点≈1 自由模式 未抑制中介面
回波信号抑制中介面
回波信号自适应门控
控制算法峰值
信噪比6.94 9.52 10.70 11.4932 结构
相似度0.56 0.73 0.81 0.8466 相关系数 0.007 0.31 0.56 0.64885 主观 无法识别
目标可见目标
轮廓目标轮廓
清晰目标轮廓
清晰评价指标 BP F-K V-W LCT 本文 目标5 峰值信噪比 7.0311 10.15 8.9784 10.7017 11.4932 结构相似度 0.6443 0.7873 0.7408 0.8107 0.8466 相关系数 0.4545 0.5098 0.5315 0.5703 0.6489 主观 目标模糊 可见目标轮廓 目标轮廓清晰 目标轮廓清晰 目标轮廓清晰 目标L 峰值信噪比 7.1744 9.543 8.4819 11.179 11.3109 结构相似度 0.6689 0.7781 0.7825 0.8535 0.8621 相关系数 0.386 0.4459 0.5093 0.6014 0.6587 主观 目标模糊 可见目标轮廓 目标轮廓清晰 目标轮廓清晰 目标轮廓清晰 目标H 峰值信噪比 8.8224 9.4324 9.4568 10.1954 10.558 结构相似度 0.7477 0.8071 0.8163 0.8417 0.8564 相关系数 0.6077 0.4839 0.5092 0.6017 0.6275 主观 目标模糊 可见目标轮廓 目标轮廓清晰 目标轮廓清晰 目标轮廓清晰 目标Plane 峰值信噪比 9.8436 11.6533 11.4687 12.2066 11.9239 结构相似度 0.7745 0.8545 0.8465 0.8533 0.8608 相关系数 0.6019 0.5541 0.6223 0.6524 0.6325 主观 目标模糊 可见目标轮廓 目标轮廓清晰 目标轮廓清晰 目标轮廓清晰 目标T 峰值信噪比 7.9285 11.1673 11.2831 12.7401 12.604 结构相似度 0.6883 0.8106 0.8328 0.8812 0.877 相关系数 0.6566 0.6714 0.7388 0.7102 0.7696 主观 目标模糊 可见目标轮廓 目标轮廓清晰 目标轮廓清晰 目标轮廓清晰 -
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