一種基于壓縮感知的激光雷達(dá)成像裝置及成像方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于激光雷達(dá)成像技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于壓縮感知的激光雷達(dá)成像 裝置及成像方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前主流的成像激光雷達(dá)有單元掃描成像、面陣凝視成像和合成孔徑成像三種類 型。傳統(tǒng)的掃描成像雷達(dá)需要采用機械運動掃描鏡等裝置，成像速率較低。凝視成像激光 雷達(dá)與之相比，實現(xiàn)了"瞬時"成像，具有結(jié)構(gòu)簡單、成像速率相對較高等諸多優(yōu)點。然而從 迄今現(xiàn)有的各型號凝視成像激光雷達(dá)來看，依舊存在數(shù)據(jù)的采集量、傳輸量和處理量過大， 測量距離和精度不易同時提高的問題。這也制約了成像質(zhì)量和成像速率的進(jìn)一步提高。
[0003] 傳統(tǒng)的Nyquist采樣定理指出，信號的采樣速率必須達(dá)到信號帶寬的兩倍以上， 才能精確地重構(gòu)信號。該理論約束下的信息獲取、存儲、傳輸及處理已成為目前信息領(lǐng)域 進(jìn)一步發(fā)展的主要瓶頸之一。Donoho,Romberg和Tao等人提出的壓縮感知（Compressing sensing，CS)理論表明，對于稀疏或可壓縮信號，通過低于甚至遠(yuǎn)低于Nyquist定理的約 束，就能足夠精確恢復(fù)出原始信號。該理論是基于高維數(shù)據(jù)中包含的信息維數(shù)往往遠(yuǎn)低于 數(shù)據(jù)維數(shù)，把傳統(tǒng)手段中對信號的采樣改變?yōu)橹苯硬杉畔?，從而有效地降低信號的采?率、存儲量和傳輸量，同時由于壓縮感知成像時所采集的信號是圖像上多點信號的疊加，因 此其信噪比也較傳統(tǒng)信號處理方法高。總之，把激光雷達(dá)成像和壓縮感知相結(jié)合，將會有效 地降低成像時間，提高成像質(zhì)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對傳統(tǒng)成像技術(shù)存在的種種不足，本發(fā)明提供一種基于壓縮感知的激光雷達(dá)成 像裝置及成像方法，實現(xiàn)了壓縮感知和激光雷達(dá)成像技術(shù)的結(jié)合。
[0005] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的：
[0006] -種基于壓縮感知的激光雷達(dá)成像裝置，包括調(diào)幅激光光源1，固定于調(diào)幅激光光 源1出光端的擴束裝置2,設(shè)置在擴束裝置2出光光路上的目標(biāo)物體，設(shè)置在目標(biāo)物體散射 光路上的第一聚焦透鏡3,設(shè)置在第一聚焦透鏡3聚焦光路上的DMD數(shù)字微鏡4,設(shè)置在DMD 數(shù)字微鏡4出光光路上的第二聚焦透鏡5,依次設(shè)置在第二聚焦透鏡5聚焦光路上的AH)單 點探測器6、高通濾波器7、乘法器8、低通濾波器9和第一AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器10,與第一AD模 數(shù)轉(zhuǎn)換器10連接的圖像重構(gòu)系統(tǒng)13 ;還包括與DMD數(shù)字微鏡4連接的控制系統(tǒng)12以及連 接在AH)單點探測器6和高通濾波器7間的第二AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器11，所述控制系統(tǒng)12和第 二AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器11均與圖像重構(gòu)系統(tǒng)13連接；調(diào)幅激光光源1發(fā)射的激光首先經(jīng)擴束裝 置2擴束，經(jīng)目標(biāo)物體散射后依次經(jīng)過聚焦透鏡3、DMD數(shù)字微鏡4、聚焦透鏡5、APD單點探 測器6轉(zhuǎn)為放大的電壓信號，又依次經(jīng)過高通濾波器7、乘法器8、低通濾波器9、第一AD模 數(shù)轉(zhuǎn)換器10進(jìn)入圖像重構(gòu)系統(tǒng)13,電壓信號同時又直接經(jīng)過第二AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器11進(jìn)入圖 像重構(gòu)系統(tǒng)13,控制系統(tǒng)12控制每次采樣的開始和終止，同時控制DMD數(shù)字微鏡4的開關(guān) 狀態(tài)，并把隨機矩陣的各列依次輸入圖像重構(gòu)系統(tǒng)13。
[0007] 上述所述一種基于壓縮感知的激光雷達(dá)成像裝置的成像方法，包括如下步驟：
[0008] 步驟1 :初始化裝置，調(diào)幅激光光源1開始工作；
[0009] 步驟2 :在控制系統(tǒng)12作用下，DMD數(shù)字微鏡4按照設(shè)定的隨機矩陣，N個微鏡處 于+12°或-12°的偏轉(zhuǎn)狀態(tài)，分別用元素1和0表示，呈現(xiàn)一定的隨機分布；同時，DMD數(shù) 字微鏡4將代表整個微鏡陣列開關(guān)狀態(tài)的N維列向量送入圖像重構(gòu)系統(tǒng)13 ;
[0010] 步驟3 :散射光經(jīng)過DMD數(shù)字微鏡4反射后，聚焦于一點；在控制系統(tǒng)12作用下， Aro單點探測器6與DMD數(shù)字微鏡4同步工作，將聚焦后的光信號轉(zhuǎn)化為放大的電壓信號；
[0011] 步驟4 :電壓信號經(jīng)過高通濾波器7濾去直流信號，經(jīng)乘法器8進(jìn)行混頻，再經(jīng)低 通濾波器9濾去交流信號，將得到的信號由第一AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器10送入圖像重構(gòu)系統(tǒng)13 ;
[0012] 步驟5 :在步驟4進(jìn)行的同時，AH)單點探測器6得到的電壓信號直接經(jīng)過第二AD 模數(shù)轉(zhuǎn)換器11送入圖像重構(gòu)系統(tǒng)13 ;
[0013] 步驟6 :停止本次采樣，在控制系統(tǒng)12作用下，DMD數(shù)字微鏡4按照設(shè)定的隨機矩 陣，呈現(xiàn)開關(guān)狀態(tài)的隨機分布，準(zhǔn)備下一次采樣；
[0014] 步驟7 :重復(fù)步驟2~6,進(jìn)行M次采樣，且M小于像素數(shù)N，從而將長度為N的高 維信號轉(zhuǎn)化為長度為M的低維信號；
[0015] 步驟8 :圖像重構(gòu)系統(tǒng)13根據(jù)采集的信號進(jìn)行圖像重構(gòu)：信號在圖像重構(gòu)系統(tǒng)13 中經(jīng)過處理后得到一個列向量= ，長度為M;測量矩陣采用M行N列的局 部隨機化哈達(dá)瑪矩陣?W為快速傅立葉變換基；設(shè)待測信號A=hin(2p)lv.xi在快速傅立 葉變換基下的稀疏表示為x，即s=WX，于是總的測量過程為
[0016] y= O-S' = = 0.T
[0017] 通過求解最優(yōu)化問題minIIXII。，J= 0X，得到一個長度為N的列向量X，再經(jīng)過 變換s =wx，就可得到待測信號；待測信號攜帶了各點的相位信息，通過 相位法測距的換算關(guān)系，就能夠求得各點距離，在控制系統(tǒng)12的作用下，在圖像重構(gòu)系統(tǒng) 13的顯示屏上顯示成像結(jié)果。
[0018] 本發(fā)明提出的基于壓縮感知的激光雷達(dá)成像裝置及方法，將壓縮感知與激光雷達(dá) 成像技術(shù)相結(jié)合，可以解決傳統(tǒng)技術(shù)方案在信號處理能力上所存在的問題。具體來說：一是 實現(xiàn)了壓縮感知和激光雷達(dá)成像技術(shù)的有效結(jié)合，降低了信息的采集量和采樣時間，并提 高了信噪比，使成像速率和成像質(zhì)量得到大幅提高；二是采用了DMD數(shù)字微鏡這一關(guān)鍵器 件，DMD數(shù)字微鏡高速的翻轉(zhuǎn)頻率，能夠大幅降低相鄰兩次采樣的時間間隔，這也進(jìn)一步提 高了成像速率；三是該方案和傳統(tǒng)方案相比，將信息獲取的主要技術(shù)壓力從采樣端轉(zhuǎn)移到 了最終的接收端，而接收端相比采樣端，具有更為強大的信息處理能力，因此也就提高了成 像效率和整個系統(tǒng)的利用效率。
【附圖說明】
[0019] 圖1是本發(fā)明基于壓縮感知的激光雷達(dá)成像裝置原理圖。
[0020] 圖2是圖像重構(gòu)系統(tǒng)的工作流程圖。
【具體實施方式】
[0021] 現(xiàn)結(jié)合附圖和具體實施例，對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述：
[0022] 本實施方式是將壓縮感知這一高效的信息處理手段和激光雷達(dá)成像技術(shù)相融合， 充分利用了信號的稀疏性或可壓縮性，很大程度上降低了信號的采樣時間，提高了成像速 率和成像質(zhì)量。
[0023] 如圖1所示，本發(fā)明一種基于壓縮感知的激光雷達(dá)成像裝置，包括調(diào)幅激光光源 1，固定于調(diào)幅激光光源1出光端的擴束裝置2,設(shè)置在擴束裝置2出光光路上的目標(biāo)物體， 設(shè)置在目標(biāo)物體散射光路上的第一聚焦透鏡3,設(shè)置在第一聚焦透鏡3聚焦光路上的DMD數(shù) 字微鏡4,設(shè)置在DMD數(shù)字微鏡4出光光路上的第二聚焦透鏡5,依次設(shè)置在第二聚焦透鏡 5聚焦光路上的AH)單點探測器6、高通濾波器7、乘法器8、低通濾波器9和第一AD模數(shù)轉(zhuǎn) 換器10,與第一AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器10連接的圖像重構(gòu)系統(tǒng)13 ;還包括與DMD數(shù)字微鏡4連接 的控制系統(tǒng)12以及連接在AH)單點探測器6和高通濾波器7間的第二AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器11， 所述控制系統(tǒng)12和第二AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器11均與圖像重構(gòu)系統(tǒng)13連接；調(diào)幅激光光源1發(fā) 射的激光首先經(jīng)擴束裝置2擴束，經(jīng)目標(biāo)物體散射后依次經(jīng)過聚焦透鏡3、DMD數(shù)字微鏡4、 聚焦透鏡5、AH)單點探測器6轉(zhuǎn)為放大的電壓信號，又依次經(jīng)過高通濾波器7、乘法器8、 低通濾波器9、第一AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器10進(jìn)入圖像重構(gòu)系統(tǒng)13,電壓信號同時又直接經(jīng)過第二 AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器11進(jìn)入圖像重構(gòu)系統(tǒng)13,控制系統(tǒng)12控制每次采樣的開始和終止，同時控 制DMD數(shù)字微鏡4的開關(guān)狀態(tài)，并把隨機矩陣的各列依次輸入圖像重構(gòu)系統(tǒng)13。
[0024] 本發(fā)明基于壓縮感知的激光雷達(dá)成像裝置的成像方法，包括如下步驟：
[0025] 步驟1 :初始化裝置，調(diào)幅激光光源1開始工作，發(fā)射激光；
[0026] 步驟2 :DMD數(shù)字微鏡4是由一系列可驅(qū)動