一種基于壓縮感知的激光雷達(dá)成像系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于壓縮感知的激光雷達(dá)成像系統(tǒng)。系統(tǒng)采用單元雪崩二極管APD，有效的突破了目前國產(chǎn)線陣雪崩二極管無法大規(guī)模集成的瓶頸問題。系統(tǒng)由激光發(fā)射模塊，望遠(yuǎn)鏡成像模塊，數(shù)字微反射鏡DMD及控制模塊，雪崩二極管APD，同步模塊，數(shù)據(jù)采集模塊，圖像重構(gòu)模塊組成。該發(fā)明通過激光發(fā)射模塊向目標(biāo)發(fā)射脈沖激光，目標(biāo)反射回波被數(shù)字微反射鏡DMD調(diào)制，再經(jīng)過匯聚鏡頭給單元雪崩二極管APD實(shí)現(xiàn)在時(shí)間序列上的采樣，最后基于壓縮感知理論，采用相關(guān)的算法重構(gòu)目標(biāo)的三維像。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：無需任何掃描，結(jié)構(gòu)簡單，圖像重構(gòu)所需的數(shù)據(jù)量小，探測(cè)靈敏度高。
【專利說明】一種基于壓縮感知的激光雷達(dá)成像系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及計(jì)算成像技術(shù)以及圖像重構(gòu)算法，信號(hào)處理、激光雷達(dá)。特別涉及一種 基于壓縮感知的激光雷達(dá)成像系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 激光雷達(dá)是一種主動(dòng)光電成像技術(shù)，與普通的被動(dòng)光學(xué)遙感探測(cè)和微波雷達(dá)相比 具有分辨率高，隱蔽性好，極強(qiáng)的抗干擾能力等；能穿過云霧，植被等探測(cè)到真實(shí)的地面地 形。激光雷達(dá)通過向目標(biāo)發(fā)射脈沖激光信號(hào)，然后將接收到從目標(biāo)反射回來的信號(hào)（回波 信號(hào)）與發(fā)射信號(hào)進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)處理，從而就可以提取目標(biāo)的相關(guān)信息，比如目標(biāo)距離， 方位，姿態(tài)，形狀等參數(shù)。利用這種激光雷達(dá)，在軍事上就可以對(duì)敵方的飛機(jī)，導(dǎo)彈等進(jìn)行跟 蹤、探測(cè)識(shí)別，從而實(shí)現(xiàn)精確打擊。目前它已經(jīng)成為我國軍事領(lǐng)域中一種不可或缺的技術(shù)手 段。
[0003] 傳統(tǒng)的激光雷達(dá)按工作方式可以分為逐點(diǎn)掃描的擺掃式和線陣推掃式。擺掃式激 光雷達(dá)在技術(shù)上已經(jīng)非常成熟，它最大的優(yōu)點(diǎn)是原理非常簡單。但它也存在很大的缺點(diǎn)，t匕 如難以捕獲高速移動(dòng)的目標(biāo)；由于存在機(jī)械掃描裝置，很難做到小型化和輕型化；大量點(diǎn) 云數(shù)據(jù)將對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸與存儲(chǔ)以及后續(xù)處理帶來極大的壓力；另外逐點(diǎn)掃描 的原理，已及飛行速度和掃描速度的限制將導(dǎo)致距離圖像的空間分辨率較低。線陣推掃式 激光雷達(dá)采用同時(shí)發(fā)射多束激光和多個(gè)探測(cè)器的并行探測(cè)原理，從而提高覆蓋效率和掃描 效率，克服逐點(diǎn)掃描式激光雷達(dá)的一些缺點(diǎn)。目前，我國推掃式激光雷達(dá)的研究才處于起步 階段。而線陣的雪崩二極管Aro探測(cè)器很難做到大規(guī)模集成，就目前的技術(shù)手段而言，只能 做到25-50單元的APD，線陣Aro的工藝瓶頸問題將在很大程度上阻礙推掃式激光雷達(dá)的發(fā) 展。
[0004] 壓縮感知（Compressive Sensing, CS)是由美國斯坦福大學(xué)數(shù)學(xué)家Donoho和 Candes等人（參見文獻(xiàn)1、2、3)在2006年提出的一種采樣與壓縮同步進(jìn)行的理論。該理論 通過挖掘信號(hào)信息的冗余性和稀疏性，在采樣過程中，不是獲取圖像的全部像素采樣，而是 通過特定的算法，選擇合適的調(diào)制模板，即：觀測(cè)矩陣，每次對(duì)信號(hào)進(jìn)行全局采樣，然后通過 這些采樣結(jié)合相關(guān)的恢復(fù)算法復(fù)原圖像。與傳統(tǒng)的"先采樣、后壓縮"不同，CS理論是"邊 采樣、邊壓縮"的方式，將CS應(yīng)用于激光雷達(dá)成像系統(tǒng)可以顯著節(jié)省傳感器數(shù)量，這種"邊 采樣、邊壓縮"的方式使得信號(hào)處理的技術(shù)負(fù)擔(dān)從傳感器轉(zhuǎn)移到數(shù)據(jù)處理上來。因此，基于 壓縮感知理論，發(fā)展新型的激光雷達(dá)成像系統(tǒng)自然的成為本發(fā)明所要研究的內(nèi)容。
[0005] 參考文獻(xiàn)：
[0006] [1]Donoho D L. Compressed sensing[J]. IEEE Transactions on Information Theory,2006,52 (4) :1289-1306.
[0007] [2]Candes E, Romberg J, Tao T. Robust uncertainty principles ：exact signal reconstruction from highly incomplete frequency information[J]. IEEE Transactions on Information Theory,2006, 52(2) :489-509.
[0008] [3] Candes E. Compressive samp 1 ing [C] · International Congress of Mathematics,2006 :1433-1452.


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的目的是提供一種基于壓縮感知的激光雷達(dá)成像系統(tǒng)。在探測(cè)器方面，采 用單元雪崩二極管Aro探測(cè)器，克服傳統(tǒng)逐點(diǎn)掃描式激光雷達(dá)的缺點(diǎn)和避開線陣Aro技術(shù) 工藝的瓶頸問題。在數(shù)據(jù)獲取方面，基于壓縮感知理論，采用少量的數(shù)據(jù)即可重構(gòu)得到目標(biāo) 的三維圖像，在采樣的過程中就以經(jīng)壓縮了數(shù)據(jù)，緩解傳統(tǒng)激光雷達(dá)成像中大數(shù)據(jù)量的采 集、傳輸、存儲(chǔ)壓力。
[0010] 本發(fā)明提出的解決思路如下：
[0011] 如圖1所示，該新型激光雷達(dá)成像系統(tǒng)包括：激光發(fā)射模塊1 ;望遠(yuǎn)鏡成像模塊 2 ;數(shù)字微反射鏡DMD及控制模塊3 ;光學(xué)匯聚透鏡4 ;雪崩二極管APD 5 ;數(shù)據(jù)采集模塊6 ; 圖像重構(gòu)模塊7 ;同步模塊8。其特征在于：激光發(fā)射模塊1采用波長1064nm的脈沖式激 光器，其重復(fù)頻率100Hz，脈沖能量200mJ ;望遠(yuǎn)鏡成像模塊2采用焦距為304. 8mm，口徑為 101. 6mm的望遠(yuǎn)鏡；數(shù)字微反射鏡DMD及控制模塊3中的數(shù)字微反射鏡DMD采用1024X768 像素，像素大小為13. 69 μ m的DMD ;光學(xué)匯聚透鏡4的焦距為10cm ;雪崩二極管APD 5的像 元尺寸1. 5mm，暗電流7nA，上升時(shí)間5ns ;數(shù)據(jù)采集模塊6采用的采集卡量化位數(shù)為10位， 采樣率5GSPS ;同步模塊8采用FPGA芯片產(chǎn)生三路同步信號(hào)；
[0012] 系統(tǒng)各模塊之間的工作流程如下：
[0013] 同步模塊8發(fā)射同步信號(hào)給激光發(fā)射模塊1和數(shù)字微反射鏡DMD及控制模塊3,激 光發(fā)射模塊1收到同步信號(hào)后，開始向場(chǎng)景目標(biāo)發(fā)射脈沖激光，設(shè)定場(chǎng)景目標(biāo)有k個(gè)，被目 標(biāo)反射的回波信號(hào)依次記為￥，X 2... xk;
[0014] 數(shù)字微反射鏡DMD及控制模塊3同時(shí)也收到同步信號(hào)，然后加載一個(gè)調(diào)制模板，發(fā) 送給DMD，調(diào)制模板的總數(shù)設(shè)定為Μ個(gè)。第Μ次調(diào)制時(shí)的調(diào)制模板記為：θ M，具體取值為一 個(gè)事先設(shè)定好的mXn階矩陣，矩陣元素的取值為0或者1，所有的元素服從高斯隨機(jī)分布。 通過調(diào)制模板改變DMD微鏡的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)，從而達(dá)到調(diào)制目標(biāo)回波的作用。實(shí)際上Θ Μ就是 壓縮感知理論中的觀測(cè)矩陣，Μ的取值范圍為

【權(quán)利要求】
1. 一種基于壓縮感知的激光雷達(dá)成像系統(tǒng)，它包括：激光發(fā)射模塊（1);望遠(yuǎn)鏡成像模 塊（2);數(shù)字微反射鏡DMD及控制模塊（3);光學(xué)匯聚透鏡（4);雪崩二極管APD (5);數(shù)據(jù)采 集模塊￠);圖像重構(gòu)模塊（7);同步模塊（8);其特征在于： 所述的激光發(fā)射模塊（1)采用波長l〇64nm的脈沖式激光器，其重復(fù)頻率100Hz，脈沖能 量 200mJ ; 所述的望遠(yuǎn)鏡成像模塊（2)采用焦距為304. 8mm，口徑為101. 6mm的望遠(yuǎn)鏡； 所述的數(shù)字微反射鏡DMD及控制模塊（3)中的數(shù)字微反射鏡DMD采用1024X768像素， 像素大小為13·69μπι的DMD ; 所述的數(shù)據(jù)采集模塊（6)采用的采集卡量化位數(shù)為10位，采樣率5GSPS ; 所述的同步模塊（8)采用FPGA芯片產(chǎn)生三路同步信號(hào)； 同步模塊（8)發(fā)射同步信號(hào)給激光發(fā)射模塊（1)和數(shù)字微反射鏡DMD及控制模塊（3)， 激光發(fā)射模塊（1)收到同步信號(hào)后，開始向場(chǎng)景目標(biāo)發(fā)射脈沖激光，設(shè)定場(chǎng)景目標(biāo)有k個(gè)， 被目標(biāo)反射的回波信號(hào)依次記為乂，X 2... xk; 數(shù)字微反射鏡DMD及控制模塊（3)同時(shí)也收到同步信號(hào)，然后由控制模塊加載一個(gè)調(diào) 制模板，發(fā)送給DMD，調(diào)制模板的總數(shù)設(shè)定為Μ個(gè)，第Μ次調(diào)制時(shí)的調(diào)制模板記為：θ M，具 體取值為一個(gè)高斯隨機(jī)分布的mXn階矩陣，矩陣元素的取值為0或者1, Μ的取值范圍為：
，其中N = mXn，S為xk的稀疏度； 經(jīng)過DMD調(diào)制后的回波信號(hào)被光學(xué)匯聚透鏡（4)匯聚到雪崩二極管APD (5)上。在DMD 的每一次調(diào)制過程中，不同距離的目標(biāo)回波信號(hào)到達(dá)AH)上的時(shí)間不同，將時(shí)間依次記為：
。最終在AH)探測(cè)器上探測(cè)到的信號(hào)會(huì)依次出現(xiàn)多個(gè)峰值，每一個(gè)峰值對(duì)應(yīng) 一個(gè)目標(biāo)物體； 雪崩二極管APD(5)探測(cè)到的信號(hào)經(jīng)過數(shù)據(jù)采集模塊（6)采集后，在時(shí)間序列
上，依次得到對(duì)應(yīng)的Μ組數(shù)字信號(hào)值
最后，圖像重構(gòu)模塊（7)對(duì)數(shù)據(jù)采集模塊（6)采集到的信號(hào)進(jìn)行處理，最終得到每個(gè)目 標(biāo)的三維像。
【文檔編號(hào)】G01S7/48GK104142506SQ201410403458
【公開日】2014年11月12日 申請(qǐng)日期:2014年8月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月15日
【發(fā)明者】馬彥鵬, 舒嶸, 亓洪興, 王義坤, 王雨曦, 葛明鋒 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所