一種基于壓縮感知的激光雷達成像裝置及成像方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于激光雷達成像技術領域，具體涉及一種基于壓縮感知的激光雷達成像 裝置及成像方法。
【背景技術】
[0002] 目前主流的成像激光雷達有單元掃描成像、面陣凝視成像和合成孔徑成像三種類 型。傳統的掃描成像雷達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 雷達與之相比，實現了"瞬時"成像，具有結構簡單、成像速率相對較高等諸多優點。然而從 迄今現有的各型號凝視成像激光雷達來看，依舊存在數據的采集量、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。這也制約了成像質量和成像速率的進一步提高。
[0003] 傳統的Nyquist采樣定理指出，信號的采樣速率必須達到信號帶寬的兩倍以上， 才能精確地重構信號。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域 進一步發展的主要瓶頸之一。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，通過低于甚至遠低于Nyquist定理的約 束，就能足夠精確恢復出原始信號。該理論是基于高維數據中包含的信息維數往往遠低于 數據維數，把傳統手段中對信號的采樣改變為直接采集信息，從而有效地降低信號的采樣 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信號處理方法高。總之，把激光雷達成像和壓縮感知相結合，將會有效 地降低成像時間，提高成像質量。
【發明內容】
[0004] 針對傳統成像技術存在的種種不足，本發明提供一種基于壓縮感知的激光雷達成 像裝置及成像方法，實現了壓縮感知和激光雷達成像技術的結合。
[0005] 為了達到上述目的，本發明是通過以下技術方案來實現的：
[0006] -種基于壓縮感知的激光雷達成像裝置，包括調幅激光光源1，固定于調幅激光光 源1出光端的擴束裝置2,設置在擴束裝置2出光光路上的目標物體，設置在目標物體散射 光路上的第一聚焦透鏡3,設置在第一聚焦透鏡3聚焦光路上的DMD數字微鏡4,設置在DMD 數字微鏡4出光光路上的第二聚焦透鏡5,依次設置在第二聚焦透鏡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模數轉換器10,與第一AD模 數轉換器10連接的圖像重構系統13 ;還包括與DMD數字微鏡4連接的控制系統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模數轉換器11，所述控制系統12和第 二AD模數轉換器11均與圖像重構系統13連接；調幅激光光源1發射的激光首先經擴束裝 置2擴束，經目標物體散射后依次經過聚焦透鏡3、DMD數字微鏡4、聚焦透鏡5、APD單點探 測器6轉為放大的電壓信號，又依次經過高通濾波器7、乘法器8、低通濾波器9、第一AD模 數轉換器10進入圖像重構系統13,電壓信號同時又直接經過第二AD模數轉換器11進入圖 像重構系統13,控制系統12控制每次采樣的開始和終止，同時控制DMD數字微鏡4的開關 狀態，并把隨機矩陣的各列依次輸入圖像重構系統13。
[0007] 上述所述一種基于壓縮感知的激光雷達成像裝置的成像方法，包括如下步驟：
[0008] 步驟1 :初始化裝置，調幅激光光源1開始工作；
[0009] 步驟2 :在控制系統12作用下，DMD數字微鏡4按照設定的隨機矩陣，N個微鏡處 于+12°或-12°的偏轉狀態，分別用元素1和0表示，呈現一定的隨機分布；同時，DMD數 字微鏡4將代表整個微鏡陣列開關狀態的N維列向量送入圖像重構系統13 ;
[0010] 步驟3 :散射光經過DMD數字微鏡4反射后，聚焦于一點；在控制系統12作用下， Aro單點探測器6與DMD數字微鏡4同步工作，將聚焦后的光信號轉化為放大的電壓信號；
[0011] 步驟4 :電壓信號經過高通濾波器7濾去直流信號，經乘法器8進行混頻，再經低 通濾波器9濾去交流信號，將得到的信號由第一AD模數轉換器10送入圖像重構系統13 ;
[0012] 步驟5 :在步驟4進行的同時，AH)單點探測器6得到的電壓信號直接經過第二AD 模數轉換器11送入圖像重構系統13 ;
[0013] 步驟6 :停止本次采樣，在控制系統12作用下，DMD數字微鏡4按照設定的隨機矩 陣，呈現開關狀態的隨機分布，準備下一次采樣；
[0014] 步驟7 :重復步驟2~6,進行M次采樣，且M小于像素數N，從而將長度為N的高 維信號轉化為長度為M的低維信號；
[0015] 步驟8 :圖像重構系統13根據采集的信號進行圖像重構：信號在圖像重構系統13 中經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 部隨機化哈達瑪矩陣?W為快速傅立葉變換基；設待測信號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] 通過求解最優化問題minIIXII。，J= 0X，得到一個長度為N的列向量X，再經過 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系，就能夠求得各點距離，在控制系統12的作用下，在圖像重構系統 13的顯示屏上顯示成像結果。
[0018] 本發明提出的基于壓縮感知的激光雷達成像裝置及方法，將壓縮感知與激光雷達 成像技術相結合，可以解決傳統技術方案在信號處理能力上所存在的問題。具體來說：一是 實現了壓縮感知和激光雷達成像技術的有效結合，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量得到大幅提高；二是采用了DMD數字微鏡這一關鍵器 件，DMD數字微鏡高速的翻轉頻率，能夠大幅降低相鄰兩次采樣的時間間隔，這也進一步提 高了成像速率；三是該方案和傳統方案相比，將信息獲取的主要技術壓力從采樣端轉移到 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 像效率和整個系統的利用效率。
【附圖說明】
[0019] 圖1是本發明基于壓縮感知的激光雷達成像裝置原理圖。
[0020] 圖2是圖像重構系統的工作流程圖。
【具體實施方式】
[0021] 現結合附圖和具體實施例，對本發明作進一步的詳細描述：
[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成像技術相融合， 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 率和成像質量。
[0023] 如圖1所示，本發明一種基于壓縮感知的激光雷達成像裝置，包括調幅激光光源 1，固定于調幅激光光源1出光端的擴束裝置2,設置在擴束裝置2出光光路上的目標物體， 設置在目標物體散射光路上的第一聚焦透鏡3,設置在第一聚焦透鏡3聚焦光路上的DMD數 字微鏡4,設置在DMD數字微鏡4出光光路上的第二聚焦透鏡5,依次設置在第二聚焦透鏡 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模數轉 換器10,與第一AD模數轉換器10連接的圖像重構系統13 ;還包括與DMD數字微鏡4連接 的控制系統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模數轉換器11， 所述控制系統12和第二AD模數轉換器11均與圖像重構系統13連接；調幅激光光源1發 射的激光首先經擴束裝置2擴束，經目標物體散射后依次經過聚焦透鏡3、DMD數字微鏡4、 聚焦透鏡5、AH)單點探測器6轉為放大的電壓信號，又依次經過高通濾波器7、乘法器8、 低通濾波器9、第一AD模數轉換器10進入圖像重構系統13,電壓信號同時又直接經過第二 AD模數轉換器11進入圖像重構系統13,控制系統12控制每次采樣的開始和終止，同時控 制DMD數字微鏡4的開關狀態，并把隨機矩陣的各列依次輸入圖像重構系統13。
[0024] 本發明基于壓縮感知的激光雷達成像裝置的成像方法，包括如下步驟：
[0025] 步驟1 :初始化裝置，調幅激光光源1開始工作，發射激光；
[0026] 步驟2 :DMD數字微鏡4是由一系列可驅動