一种基于盲源分离的非视域目标探测方法

1.本发明属于光电探测领域，具体涉及一种基于盲源分离的非视域目标探测方法。


背景技术：

2.非视域(nlos)探测技术，是一种对视线外隐藏目标进行光学探测的新兴技术，类似于“视线拐弯”或“隔墙观物”。传统探测技术通常只能对视线范围内(视域内)的目标进行探测，而视线之外(非视域)目标的信息在一些特殊环境中有很重要的价值。如果能利用nlos探测技术观察犯罪份子动向，就能做出针对性的部署，降低任务的危险程度。又如，在自动驾驶中nlos探测能扩大视线范围，避免事故。再如，在消防救援中 nlos探测能提前预知人员位置和情况，便于实施救援。因此，nlos探测技术在机器人视觉、制造业、医学成像、自动驾驶、以及极端条件下的勘探和救援等领域具有广阔的应用前景。
3.目前nlos探测的常用方法是：通过主动发射脉冲激光到目标附近的漫反射中介面(如墙面、地面、门板)上，并测量散射到目标上的回波，来获取光子飞行时间和飞行距离，再通过多点扫描或探测器阵列来得到目标的空间信息，进而实现目标的跟踪或成像，如图1所示。
4.nlos探测技术研究主要有跟踪和成像两个方向。nlos跟踪只关注隐藏目标的位置； nlos成像则是致力于重建隐藏目标的三维表面形状。当前的研究主要从探测装置、扫描方式和重建算法等方面进行改进，涌现了一系列有效的探测方法。
5.然而，无论nlos跟踪还是成像，目前都面临着一个共同的难题——目标信号混叠，即在某些场景下目标与背景、多个目标之间的回波信号难以区分。
6.首先，由于目标信号非常微弱，很容易和背景混淆在一起，不通过一定的先验知识就难以区分目标和背景。如图2所示，其中(a)是某实验中单光子探测器接收到回波的原始信号，其中最大的波峰是由从中介面直接返回的光子所形成。为了便于观察微弱的目标信号，图2中的(b)将原始信号进行了放大显示，目标位置信号用
“○”
标记，中介面回波用
“×”
标记，可见目标信号非常微弱，就算没有中介面回波，也几乎淹没在背景里。图2中的(c) 是经减背景处理后的提取目标信号，可见目标仅几个光子。在现有算法中，为了实施有效的减背景处理，往往需要预先采集背景的波形，或者在目标运动的情况下估算背景波形。但在实际应用中这些方法有很大的局限性，既不可能事先预知使用场所，也不可能保证目标一定是运动的。因此，减背景的提取方法面临实用化的瓶颈。
7.另外，如果场景中有多个目标，那么距离较近的目标也容易混淆在一起。如图3所示，当两个目标靠近时，其信号就会发生混叠，难以进行区分，进而造成目标提取错误或丢失。
8.目标信号混叠的问题对nlos探测技术的实用化造成了较大的障碍。由于实际中的场景都是比较复杂的，比如对拐角后的行人进行探测时，必然面临各种设施干扰、多人并行等情况，所以如果不能从背景中辨识出正确的目标，那么也就失去了nlos探测的意义。
9.针对nlos探测中的目标信号混叠的问题，现有文献中还没有发现很好的解决办
法。大部分文献仅通过构建单一场景来规避该问题；有的文献则采用减背景的方法来从背景中分离目标，但需提前采集背景或令目标运动；有的文献通过目标的位置、形状、反射率等特征来区分不同目标，但目标之间必须保持一定距离，应用受限。因此，目标信号混叠问题仍然悬而未决，亟待新的突破。


技术实现要素：

10.本发明解决的技术问题：非视域目标探测中存在目标信号混叠，即在某些场景下目标与背景、多个目标之间的回波信号难以区分的问题。
11.本发明的

技术实现要素：
本发明提供一种基于盲源分离的非视域目标探测方法，利用不同材质的目标对不同光谱反射率不同的原理，首先发射多个谱段的激光到中介面，然后用探测器选择接收不同谱段的回波，获取各个谱段的回波光子飞行时间统计信号(简称“回波信号”)，再用盲源分离方法处理各个谱段的回波信号，得到属于不同目标的信号族，最后对各个目标的信号族实施非视域探测算法，进而实现各个非视域目标的分离和探测。本发明所提出的技术方案如下：
12.一种基于盲源分离的非视域目标探测方法，所述方法包括以下步骤：
13.步骤(1)：发射多个谱段的激光到中介面；
14.步骤(2)：用探测器选择接收不同谱段的回波；
15.步骤(3)：用盲源分离方法处理各个谱段的回波信号，进而实现各个非视域目标的分离和探测。
16.进一步的，所述步骤(1)中，在发射多个谱段的激光到中介面时，所有激光都发射到中介面上的同一点。
17.进一步的，所述步骤(2)中，在用探测器选择接收不同谱段的回波时，采用多个对应谱段的窄带滤光片实现谱段的选择，使各个探测器只接收目标散射单一谱段的回波。
18.进一步的，所述步骤(3)中，在用盲源分离算法处理各个谱段的回波信号时，采用独立分量分析算法实现。
19.本发明与现有技术相比的有益效果在于：
20.(1)可以在缺乏目标和背景先验信息的条件下，实现非视域多目标分离或从复杂背景中提取出微弱目标；
21.(2)既不需要预先采集背景，也不需要目标运动，且不受目标之间距离、形状的限制；
22.(3)既适用于nlos跟踪，也适用于nlos成像。
附图说明
23.图1是nlos探测基本原理示意图；
24.图2是nlos的回波信号示例图；
25.图3是两个目标靠近时的信号混叠示例图；
26.图4是实施例的实施方案示意图；
27.图5是实施例的盲源分离处理框架示意图。
具体实施方式
28.以下是本发明的具体实施办法。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例对该领域的技术人员即可以实现本发明权利要求的全部内容。
29.本发明所述一种基于盲源分离的非视域目标探测方法，主要包括以下步骤：
30.步骤(1)：发射多个谱段的激光到中介面；
31.步骤(2)：用探测器选择接收不同谱段的回波；
32.步骤(3)：用盲源分离方法处理各个谱段的回波信号，进而实现各个非视域目标的分离和探测。
33.本实施例以3个谱段对最多3个目标探测为例进行说明，实施方案示意图如图4所示。
34.步骤(1)中，首先在光源方面，由于本发明引入光谱信息来拓展目标回波的信号维度，因此采用多光谱脉冲激光器作为光源。为了满足盲源分离的条件，谱段的数量一般不小于目标的数量。因此本实施例使用3个谱段对最多3个目标进行探测。
35.在激光器的谱段选择方面，本实施例使用1550nm、1064nm和850nm三个谱段，既有利于避免病态混合矩阵的出现，也有利于滤除环境光。
36.在激光发射方式方面，为了避免不同谱段的光子飞行时间错位，需要所有激光都发射到中介面上的同一点，进而保证后续散射路径是一致的。为此需要在实施前对几个激光器进行标校，使之在中介面上对准同一个原点。
37.在激光器的其它参数方面，沿用现有nlos探测的常用参数，比如脉冲频率10～40mhz，平均功率100～1000mw，脉冲宽度50～100ps，等等。但为了便于计算光子飞行时间，各个激光器需要同步工作。因此将其中一个激光器输出同步信号，使另外两个激光器工作在外同步模式。
38.步骤(2)中，在回波接收装置方面，本实施例选用snspd作为探测器。snspd在谱段800～1600nm的探测效率大于70％，很适合作为多光谱接收装置。一套snspd可集成多个探测器，可同时探测多组信号，实际使用的探测器个数依据nlos探测算法的需求来确定，比如：反投影跟踪算法可用3个以上的探测器组成阵列来融合定位，而共焦成像算法只需要 1个探测器，但要用对中介面进行多点扫描。
39.在接收光学系统方面，本实施例在各个探测器前端放置一个长焦光学镜头，用以收集回波光子。如果距离较远，则可用望远镜替代光学镜头。此外，本发明与现有方法的重要区别在于，采用多个对应谱段的窄带滤光片实现谱段的选择。在每个探测器和光学镜头之间放置一个滤光盘，用来动态选取不同的滤光片，接收不同波段的光子。滤光片与激光器的光谱一一对应，使探测器只接收目标散射单一谱段的回波。
40.在光子飞行时间获取方面，本实施例采用单光子计数器来统计光子数和飞行时间的关系曲线。单光子计数器以激光脉冲同步发出的电脉冲为时间零点，记录单光子探测器测得的光子数随时间分布情况。而单光子计数器输出的光子飞行时间统计图，就是nlos探测算法的输入信号。
41.步骤(3)中，在信号处理方面，本发明提出如图5所示的盲源分离处理框架，其中盲源分离算法采用独立分量分析(ica)算法实现。首先对每个探测器或扫描点，通过调节滤光
盘接收3个不同谱段的光子飞行时间分布信号，从而拓展目标回波的信号维度。由于不同谱段的信号就是各个目标源信号以不同反射率散射回波的混合，且不同谱段反射率不同使得混合系数不同，因此符合ica的数学模型。将之送入ica算法进行分离，就可得3个独立的信号。而每个探测器或扫描点都将得到3个独立的信号。然后，再将属于不同目标的信号族(来自于所有探测器或扫描点)分别送入nlos探测算法，进而得到各个目标的探测结果。
42.在ica算法方面，本实施例采用fastica算法。fastica的优点在于算法成熟、计算速度快，并且可以对目标逐一提取，也就是说可以只提取感兴趣的目标，而不用分离全部信号。由于fastica算法以信号的非高斯性作为独立的评价准则，而目标往往比背景具有更强的非高斯性，因此该算法有望在复杂背景中优先提取目标信号，从而解决在未知背景条件下分离目标的难题。fastica算法的具体实现步骤此处不再赘述。
43.在nlos探测算法方面，本实施例采用基于神经网络的nlos跟踪算法或基于lct的 nlos成像算法，对各个目标进行跟踪或成像。这些算法的具体实现步骤此处不再赘述。
44.本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。