基于apd陣列的三維激光成像系統及方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及壓縮感知三維成像技術領域，尤其涉及基于壓縮感知的三維成像系統 及成像方法。
【背景技術】
[0002] 信息獲取是信息科學的重要分支，其中三維信息的獲取尤為重要。和二維圖像相 比，三維圖像能夠能夠更加全面地表示物體，提供更加豐富的信息如距離、方位、大小和姿 態等，這使得三維成像在導航、考古、測量、檢測和城市建模等多個領域有廣泛應用。
[0003] 傳統的三維成像主要有兩種：被動式三維成像和主動式三維成像。被動式三維成 像是基于計算機視覺的方法，仿照人類利用雙目線索感知距離的方法，需要在同一場景的 不同位置拍攝兩幅或兩幅以上的圖像，通過計算空間點在兩幅圖像的視差，獲取空間點的 三維信息。由于被動三維成像對光照及物體形態的先驗認識有極大的依賴性，使其在某些 場合有極大的局限性。而且被動式三維成像還會因為視角的不同和物體的遮擋丟失信息， 對其恢復的精確性也有一定影響。
[0004] 主動式三維成像的一種方式是點掃描。掃描方式需要精密的光機電掃描裝置，系 統體積大，成本高，且成像分辨率受點掃描效率較大，一般難以滿足高分辨率和高成像速 率，同時還面臨著海量數據存儲和傳輸等難以突破的瓶頸。
[0005] 面陣探測也是主動式三維成像的一種方式，成像精度受面陣分辨率影響較大，同 時這種方法還面臨著傳感器陣列制造工藝的限制。以Aro陣列探測器為例，目前基于Aro陣 列的探測器主要由國外制造，而大面陣的探測器被限制進口，目前市場上能得到的APD陣 列大小是8*8,無法獲得更大面陣的Aro陣列，這就極大地限制了基于Aro陣列的成像精度， 如何用低分辨率的傳感器陣列高速獲取高精度的圖像成為一個亟待解決的問題。
[0006] 近幾年出現的壓縮感知理論為解決上述問題提供了新思路，而且目前將壓縮感知 應用于三維成像的研究還很少。它將信號的采集與壓縮合二為一，每次測量多重傳輸了若 干個點的信息。當采樣頻率遠遠低于奈奎斯特采樣定理的要求時，不需要知道每個點的具 體信息，就可以以極大的準確率恢復出原始稀疏信號。當原始信號為非稀疏信號時，應將原 始信號變換為某個頻域的稀疏信號。用壓縮感知重構算法恢復出頻域的稀疏信號后，可進 一步通過反變換恢復出原始信號。壓縮感知可以極大地減少數據量，更加利于傳輸和存儲。
【發明內容】
[0007] 為了解決上述問題，本發明的目的在于提供一種基于壓縮感知的三維成像系統及 成像方法，能夠以低分辨率的APD傳感器陣列同時獲得高分辨率的距離像和強度像，突破 傳感器陣列的限制，成像效果更好，速度更快，同時又不受光照、視角等外部條件的影響，數 據量大為精簡，更加利于傳輸和存儲。
[0008] 實現本發明目的的技術思路是：利用激光發射器發射脈寬足夠大的脈沖覆蓋整個 目標，用單元Aro探測器探測半透半反鏡反射的激光脈沖，用Aro陣列探測器探測數字微鏡 器件反射的激光脈沖。由測時電路鑒別數字微鏡器件的反射光脈沖和半透半反鏡的反射光 脈沖到達的時間，計算時間間隔，即可得到目標各點的距離信息。利用數字微鏡器件對目標 的反射光進行隨機采樣，以減少整個過程的數據量，最后利用現有的壓縮感知重構算法（BP 或OMP)可恢復出目標的距離像。根據Aro陣列探測器探測得到的光強，由壓縮感知重構算 法（BP或OMP)可恢復出強度像。
[0009] 為達到以上目的，本發明采用如下技術方案：
[0010] 基于Aro陣列的三維激光成像系統，包括激光發射器4,固定在激光發射器4出光 端的半透半反鏡5,入射光以45°角入射于半透半反鏡5,固定于半透半反鏡5透射光路上 的達曼光柵6,目標物體12固定于達曼光柵6的出光端，固定于目標物體12反射光路上的 第一匯聚透鏡1，固定于第一匯聚透鏡1匯聚光路上的數字微鏡器件DMD7,固定于數字微鏡 器件DMD7反射光路上的第二匯聚透鏡2,固定于第二匯聚透鏡2匯聚光路上的8*8的APD 陣列探測器9 ;固定于半透半反鏡5反射光路上的第三匯聚透鏡3,固定于第三匯聚透鏡3 匯聚光路上的單元AH)探測器8 ;與所述單元AH)探測器8和8*8的AH)陣列探測器9連 接的測時電路10,與測時電路10和數字微鏡器件DMD7連接的計算機處理模塊11。
[0011] 激光發射器4,以高頻率發射脈寬足夠大的脈沖以覆蓋整個目標，便于得到整個目 標的二維息；
[0012] 半透半反鏡5,將激光器發射的激光一部分透射過去，一部分反射給單元Aro探測 器，以便得到陣列探測器和單元探測器測得信號的時間差；
[0013] 達曼光柵6,用于在后場形成高強度且能量分布均勻的陣列光束，減少光束能量分 布不均對測距的影響，消除激光相干性和灰塵造成的散斑噪聲，提高能量利用率，更加易于 實現小型化、輕型化和低功耗；
[0014] 數字微鏡器件DMD7,對目標物體上的反射光進行隨機采樣，二進制隨機矩陣的元 素即對應數字微鏡器件的鋁鏡，當矩陣元素值為+1時，數字微鏡器件對應位置的鋁鏡偏轉 +12°，將激光反射到匯聚透鏡2并傳給Aro陣列探測器；當矩陣元素值為-1時，數字微鏡 器件對應位置的鋁鏡偏轉-12°，將其上的入射光反射到吸收平面進行入射光吸收；
[0015] 8*8的APD陣列探測器9,接收數字微鏡器件反射回來的激光信號并轉化為電信 號，傳給測時電路進行時刻鑒別；
[0016] 單元AH)探測器8,探測半透半反鏡反射的激光信號并轉換為電信號，傳給測時電 路進彳丁時刻鑒別；
[0017] 測時電路10,鑒別APD陣列探測器和單元Aro探測器探測得到的激光脈沖的到達 時刻，計算時間間隔，從而求出目標各點的距離信息；采用已有專利：一種新型時刻鑒別電 路（申請公布號：CN103297003A)中公布的電路結構和時刻鑒別方法，采用同一個后續處理 電路處理發出和接收的激光信號，而不是將其分別送入兩套不同的后續處理電路，可以消 除不同電路中電子元件和芯片所帶來的誤差，提高測距精度。
[0018] 計算機處理模塊11，生成壓縮感知MXN維的測量矩陣和NXN維的稀疏表示矩陣， 運用比較成熟的壓縮感知恢復算法（0ΜΡ或BP)，對得到的光強和距離信息進行處理，從而 得到目標的三維圖像。
[0019] 上述所述基于APD陣列的三維成像系統的成像方法，包括如下步驟：
[0020] 步驟一，利用計算機處理模塊11生成一個MXN維的測量矩陣，其中N=pXq，p 為三維圖像的對應矩陣的行數，q為三維圖像對應矩陣的列數：
[0021] 其中blst為第i行，第st列的元素，1彡s彡p，1彡t彡q，blst的值取1或0 ;
[0022]
[0023] 步驟二，計算機處理模塊11根據生成的測量矩陣第一行的元素值設定數字微鏡 器件DMD7的狀態，當測量矩陣相應元素值為1時，將數字微鏡器件DMD7對應位置的鋁鏡偏 轉+12° ;當測量矩陣相應元素值為0時，將數字微鏡器件DMD7對應位置的鋁鏡偏轉-12° ;
[0024] 步驟三，打開激光發射器4的光源，半透半反鏡5將一部分激光反射給單元AH)探 測器8,將一部分激光透射過去對目標物體進行照射。
[0025] 步驟四，單元Aro探測器8接收到激光脈沖后，傳給測時單元10,測時單元10記錄 下此時脈沖到達的時刻t。；
[0026] 步驟五，達曼光柵6對半透半反鏡5透射的激光進行調制，形成強度高且能量分布 均勻的陣列光束，陣列光束照在目標物體上；
[0027] 步驟六，數字微鏡器件DMD7對目標物體的反射光進行采樣；數字微鏡器件DMD7內 部偏轉為+12°的鋁鏡將其上的入射光反射到第二匯聚透鏡2上并傳給8*8的APD陣列探 測器9,得到隨機采樣信號；數字微鏡器件DMD7內部偏轉為-12°的鋁鏡將其上的入射光反 射到吸收平面進行入射光吸收；
[0028] 步驟七，8*8的APD陣列探測器9的每個探測單元探測數字微鏡器件DMD7對應位 置返