0029] 時間延時觸發是本系統實施的關鍵技術，圖2給出了 m個具有相同二值分布脈沖 激光回波信號的延時觸發采集示意圖。假設在某一調制脈沖情況下，探測采集系統獲取的 回波信號形式為IJU，i" 2, . . .，O，不考慮激光脈沖脈寬的限制，則對應的物體每個小切 片之間的距離Az為：
[0031] 其中，c為光速，A T為采集系統的時間響應。每一個回波信號可以認為是由幾個 更小切片距離Az'回波信號的和構成，即
[0033] 其中，Az = kAz'。獲取更小切片的回波信號，就可以利用這些信息來實現超越 系統縱向分辨率的成像。
[0034] 為了分析實現單像素激光成像雷達系統縱向超分辨率成像，對該系統的延時時序 關系進行分析，首先直接發射無調制信息的激光脈沖，獲取回波信號，根據出現信號的位置 作為參考時刻，然后對多個激光脈沖施加同一調制信息，在參考時刻施加不同的延時獲得 多組回波信號。
[0035] 假設延遲時間A T '對應的距離為Az'，由公式（2)可以得到在某一特定調制 信息下對應時間延遲為A T '的回波信號為：
[0037] 對k個激光脈沖進行相同調制信息的調制，對每個回波脈沖進行時間延遲間距 為A T '的探測采集，則獲得的k個回波信號I2(i21，i22，...，i 2n)，一 ，工k (ikl，ik2，? ? ?，ikn)可以表為：
[0043] 通過上式可以看出高分辨率回波信號都進行了相應時間權重處理，為進行物體縱 向超分辨率信息復原提供了有效的信息。這是在某一調制信息下獲取的結果，改變調制信 息獲取t組不同調制信息下的結果為：
[0044] IQ = [IQ1, IQ2, ? ? ?，IQt]。 （10)
[0045] 根據已知的調制信息B = [B1, B2, ...，BJ，可以得到等式為：
[0046] IQt=BtOdr, (11)
[0047] 利用壓縮感知算法對上式進行計算，可以獲取物體信息Odr，但是由于系統獲取的 是物體總的回波信號，所以〇：?是含有距離和物體反射率的混合信息，為此需要在獲取的混 合信息里面去除反射率信息，得到縱向超分辨率信息。Odr可以等效為：
[0048] 〇DR=〇D*〇R， （12)其中，(^為物體的反射率信息，O d為物體 的縱向超分辨率信息。為此可以采用簡單的圖像除法運算得到物體的縱向超分辨率信息：
[0049] Od= (0DR/0R) □ mask(Or), (13)其中，mask 為了避免除零的情況進行 限定，其為[0，1]的二值矩陣，當Or元素非零時為1，否則為〇。而物體的反射率信息可以 利用非延時回波信號，利用常規方法來獲得。
[0050] 顯然，本領域的技術人員可以通過對本發明所涉及縱向超分辨率單像素激光成像 雷達進行改動和變型而不脫離本發明的精神和范圍。這樣，如果這些修改和變動屬于本發 明權利要求及其等同技術的范圍之內，則本發明也意圖包含這些修改和變型在內。
【主權項】
1. 一種實現單像素激光雷達縱向超分辨率成像的方法，其特征在于：包括延時脈沖發 生控制器、脈沖激光器、單像素探測與數據采集單元、具有聚焦作用的光學接收系統，所述 脈沖激光器的控制端接入延時脈沖發生控制器，脈沖激光器的出射光路上依次設置有光束 均勻擴束器、光調制器，所述單像素探測與數據采集單元中的光電探測面放置在光學接收 系統的焦點處，單像素探測與數據采集單元的時序控制端接入延時脈沖發生控制器； 延時脈沖發生控制器控制脈沖激光器發射脈沖激光，脈沖激光器發射的脈沖激光經過 光束均勻擴束器進行光強均勻和擴束后進入光路中，之后光束經光調制器調制后具有特定 的二值分布，最后照射目標物體；目標物體的反射光經光學接收系統聚焦后，由單像素探測 與數據采集單元獲取目標物體光強反射回波信號。2. 根據權利要求1所述的一種實現單像素激光雷達縱向超分辨率成像的方法，其特征 在于：脈沖激光器能發射窄脈沖寬度的光束且具有同步信號輸出功能。3. 根據權利要求1所述的一種實現單像素激光雷達縱向超分辨率成像的方法，其特征 在于：光調制器具有外部觸發和調制信號可控的功能。4. 根據權利要求1所述的一種實現單像素激光雷達縱向超分辨率成像的方法，其特征 在于：單像素探測與數據采集單元具有較小的觸發延時抖動。5. 根據權利要求1所述的一種實現單像素激光雷達縱向超分辨率成像的方法，其特征 在于：延時脈沖發生控制器能發出脈寬可控和高精度時間延遲脈沖觸發信號。6. -種基于權利要求1所述的實現單像素激光雷達縱向超分辨率成像方法，其特征在 于：產生多個具有相同二值分布的光脈沖來照射目標物體，每次采集過程中延時脈沖發生 控制器對單像素探測與數據采集單元依次施加不同延時的脈沖觸發信號，并保證有足夠大 的脈寬可以接收到整個物體回波信號，此時采集的信號可以認為是由采集系統分辨率決定 的低分辨率回波信號； 由采集的延時低分辨率回波信號數據組，利用權重相加的方法來獲取高分辨回波信號 的距離權重信息和，而此高分辨回波信號的權重信息和為進行縱向超分辨率成像提供了必 要條件； 循環進行光束隨機二值調制和反射信號的采集，獲取多組二值調制信息、非延時回波 信號和及高分辨回波信號的權重信息和； 利用保存的三組信息，采用壓縮感知算法可以獲取物體的反射率信息和超分辨率距 離-反射率信息； 最后采用超分辨率距離-反射率信息除以反射率信息來獲取目標物體縱向超分辨率 圖像。
【專利摘要】本發明公開了一種實現單像素激光雷達縱向超分辨率成像的方法，裝置包括脈沖激光器、光束均勻擴束器、光調制器、光學接收系統、單像素探測與數據采集單元、延時脈沖發生控制器。本發明簡單、設計簡便實用，不改變或者增加系統硬件，能有效的控制系統成本，通過信號處理方法獲取目標物體縱向超分辨率圖像信息，對單像素激光成像雷達系統進行縱向超分辨成像，在目標探測、識別和追蹤等領域具有很好的應用前景。
【IPC分類】G01S17/89
【公開號】CN105068083
【申請號】CN201510398313
【發明人】時東鋒, 黃見, 苑克娥, 曹開法, 胡順星
【申請人】中國科學院合肥物質科學研究院
【公開日】2015年11月18日
【申請日】2015年7月8日