一种基于压缩感知的激光雷达成像装置及成像方法

摘要

一种基于压缩感知的激光雷达成像装置及方法，该装置包括一个调幅激光光源、一个扩束装置、两个透镜、一个DMD数字微镜、一个APD光电探测器、一个高通滤波器、一个乘法器、一个低通滤波器、两个AD模数转换器、控制系统以及图像重构系统；激光发射后，被成像物体散射后投射到DMD数字微镜表面，反射光经过另一透镜聚焦后由APD单点探测器接收，并转化为放大的电压信号；电压信号在一条并联支路上依次经过高通滤波、混频和低通滤波，并经过模数转换进入重构系统；同时电压信号在另一条并联支路上直接经过模数转换进入重构系统；根据两条支路上的输入信号和DMD控制装置对应的随机矩阵，结合一定的重构算法，重构系统就能够完成成像；本发明在很大程度上提高成像速率和成像质量。

说明书

技术领域

本发明属于激光雷达成像技术领域，具体涉及一种基于压缩感知的激光雷 达成像装置及成像方法。

背景技术

目前主流的成像激光雷达有单元扫描成像、面阵凝视成像和合成孔径成像 三种类型。传统的扫描成像雷达需要采用机械运动扫描镜等装置，成像速率较 低。凝视成像激光雷达与之相比，实现了“瞬时”成像，具有结构简单、成像 速率相对较高等诸多优点。然而从迄今现有的各型号凝视成像激光雷达来看， 依旧存在数据的采集量、传输量和处理量过大，测量距离和精度不易同时提高 的问题。这也制约了成像质量和成像速率的进一步提高。

传统的Nyquist采样定理指出，信号的采样速率必须达到信号带宽的两倍以 上，才能精确地重构信号。该理论约束下的信息获取、存储、传输及处理已成 为目前信息领域进一步发展的主要瓶颈之一。Donoho，Romberg和Tao等人提 出的压缩感知(Compressingsensing，CS)理论表明，对于稀疏或可压缩信号， 通过低于甚至远低于Nyquist定理的约束，就能足够精确恢复出原始信号。该理 论是基于高维数据中包含的信息维数往往远低于数据维数，把传统手段中对信 号的采样改变为直接采集信息，从而有效地降低信号的采样率、存储量和传输 量，同时由于压缩感知成像时所采集的信号是图像上多点信号的叠加，因此其 信噪比也较传统信号处理方法高。总之，把激光雷达成像和压缩感知相结合， 将会有效地降低成像时间，提高成像质量。

发明内容

针对传统成像技术存在的种种不足，本发明提供一种基于压缩感知的激光 雷达成像装置及成像方法，实现了压缩感知和激光雷达成像技术的结合。

为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种基于压缩感知的激光雷达成像装置，包括调幅激光光源1，固定于调幅 激光光源1出光端的扩束装置2，设置在扩束装置2出光光路上的目标物体，设 置在目标物体散射光路上的第一聚焦透镜3，设置在第一聚焦透镜3聚焦光路上 的DMD数字微镜4，设置在DMD数字微镜4出光光路上的第二聚焦透镜5， 依次设置在第二聚焦透镜5聚焦光路上的APD单点探测器6、高通滤波器7、 乘法器8、低通滤波器9和第一AD模数转换器10，与第一AD模数转换器10 连接的图像重构系统13；还包括与DMD数字微镜4连接的控制系统12以及连 接在APD单点探测器6和高通滤波器7间的第二AD模数转换器11，所述控制 系统12和第二AD模数转换器11均与图像重构系统13连接；调幅激光光源1 发射的激光首先经扩束装置2扩束，经目标物体散射后依次经过聚焦透镜3、 DMD数字微镜4、聚焦透镜5、APD单点探测器6转为放大的电压信号，又依 次经过高通滤波器7、乘法器8、低通滤波器9、第一AD模数转换器10进入图 像重构系统13，电压信号同时又直接经过第二AD模数转换器11进入图像重构 系统13，控制系统12控制每次采样的开始和终止，同时控制DMD数字微镜4 的开关状态，并把随机矩阵的各列依次输入图像重构系统13。

上述所述一种基于压缩感知的激光雷达成像装置的成像方法，包括如下步 骤：

步骤1：初始化装置，调幅激光光源1开始工作；

步骤2：在控制系统12作用下，DMD数字微镜4按照设定的随机矩阵，N 个微镜处于+12°或-12°的偏转状态，分别用元素1和0表示，呈现一定的随机 分布；同时，DMD数字微镜4将代表整个微镜阵列开关状态的N维列向量送入 图像重构系统13；

步骤3：散射光经过DMD数字微镜4反射后，聚焦于一点；在控制系统12 作用下，APD单点探测器6与DMD数字微镜4同步工作，将聚焦后的光信号 转化为放大的电压信号；

步骤4：电压信号经过高通滤波器7滤去直流信号，经乘法器8进行混频， 再经低通滤波器9滤去交流信号，将得到的信号由第一AD模数转换器10送入 图像重构系统13；

步骤5：在步骤4进行的同时，APD单点探测器6得到的电压信号直接经 过第二AD模数转换器11送入图像重构系统13；

步骤6：停止本次采样，在控制系统12作用下，DMD数字微镜4按照设定 的随机矩阵，呈现开关状态的随机分布，准备下一次采样；

步骤7：重复步骤2～6，进行M次采样，且M小于像素数N，从而将长度 为N的高维信号转化为长度为M的低维信号；

步骤8：图像重构系统13根据采集的信号进行图像重构：信号在图像重构 系统13中经过处理后得到一个列向量长度为M；测量矩阵 采用M行N列的局部随机化哈达玛矩阵Φ，Ψ为快速傅立叶变换基；设待测信 号在快速傅立叶变换基下的稀疏表示为x，即s＝Ψx，于是总的测 量过程为

$y=\Phi s=\Phi \Psi x=\Theta x$

通过求解最优化问题min||x||₀，得到一个长度为N的列向量x，再 经过变换s＝Ψx，就可得到待测信号；待测信号携带了各点的相 位信息，通过相位法测距的换算关系，就能够求得各点距离，在控制系统12的 作用下，在图像重构系统13的显示屏上显示成像结果。

本发明提出的基于压缩感知的激光雷达成像装置及方法，将压缩感知与激 光雷达成像技术相结合，可以解决传统技术方案在信号处理能力上所存在的问 题。具体来说：一是实现了压缩感知和激光雷达成像技术的有效结合，降低了 信息的采集量和采样时间，并提高了信噪比，使成像速率和成像质量得到大幅 提高；二是采用了DMD数字微镜这一关键器件，DMD数字微镜高速的翻转频 率，能够大幅降低相邻两次采样的时间间隔，这也进一步提高了成像速率；三 是该方案和传统方案相比，将信息获取的主要技术压力从采样端转移到了最终 的接收端，而接收端相比采样端，具有更为强大的信息处理能力，因此也就提 高了成像效率和整个系统的利用效率。

附图说明

图1是本发明基于压缩感知的激光雷达成像装置原理图。

图2是图像重构系统的工作流程图。

具体实施方式

现结合附图和具体实施例，对本发明作进一步的详细描述：

本实施方式是将压缩感知这一高效的信息处理手段和激光雷达成像技术相 融合，充分利用了信号的稀疏性或可压缩性，很大程度上降低了信号的采样时 间，提高了成像速率和成像质量。

如图1所示，本发明一种基于压缩感知的激光雷达成像装置，包括调幅激 光光源1，固定于调幅激光光源1出光端的扩束装置2，设置在扩束装置2出光 光路上的目标物体，设置在目标物体散射光路上的第一聚焦透镜3，设置在第一 聚焦透镜3聚焦光路上的DMD数字微镜4，设置在DMD数字微镜4出光光路 上的第二聚焦透镜5，依次设置在第二聚焦透镜5聚焦光路上的APD单点探测 器6、高通滤波器7、乘法器8、低通滤波器9和第一AD模数转换器10，与第 一AD模数转换器10连接的图像重构系统13；还包括与DMD数字微镜4连接 的控制系统12以及连接在APD单点探测器6和高通滤波器7间的第二AD模 数转换器11，所述控制系统12和第二AD模数转换器11均与图像重构系统13 连接；调幅激光光源1发射的激光首先经扩束装置2扩束，经目标物体散射后 依次经过聚焦透镜3、DMD数字微镜4、聚焦透镜5、APD单点探测器6转为 放大的电压信号，又依次经过高通滤波器7、乘法器8、低通滤波器9、第一AD 模数转换器10进入图像重构系统13，电压信号同时又直接经过第二AD模数转 换器11进入图像重构系统13，控制系统12控制每次采样的开始和终止，同时 控制DMD数字微镜4的开关状态，并把随机矩阵的各列依次输入图像重构系统 13。

本发明基于压缩感知的激光雷达成像装置的成像方法，包括如下步骤：

步骤1：初始化装置，调幅激光光源1开始工作，发射激光；

步骤2：DMD数字微镜4是由一系列可驱动的微小镜面组成，设总数为N， 每个镜面固定在铰链上，可通过控制系统12控制每个微镜的方向，使其在水平 面上做两个方向+12°或-12°的偏转，+12°的偏转保证图像被反射在单点探测 器上，记为“1”，反之，-12°的偏转使图像反射在单点探测器之外，记为“0”； 通过光路系统将成像目标投射在DMD数字微镜4的数字微镜阵列上，数字微镜 阵列按照控制系统12给定的M×N(且M＜N)局部随机化哈达玛矩阵Φ的第 一列，进行偏转；控制系统12同时将第一列对应的N维列向量送入图像重构系 统13；

步骤3：散射光经过DMD数字微镜4反射后，聚焦于一点；在控制系统12 作用下，APD单点探测器6与DMD数字微镜4同步工作，将聚焦后的光信号 转化为放大的电压信号；

步骤4：放大的电压信号进入电路进行处理；

因聚焦光是由同频率的不同散射光叠加，设各散射光的幅值满足 根据光强与幅值平方成正比的关系，则所得的电压信号同样可以 看作是多个同频率的电信号的叠加，且满足其中V_i为各分量 的峰值，为各分量对应的相位；电路由两条并联支路组成；

因为

在其中一条支路(支路1)上，电压信号首先经过高通滤波，只保留了交流分量 然后经过乘法器时进行混频，将电压信号乘以sin(2ωt)， 由于

将混频后的信号再经过低通滤波器后，保留直流分量就达到了 分离相位的目的，将其经第一AD模数转换器10送入图像重构系统13。

步骤5：在步骤4进行的同时，APD单点探测器6得到的放大电压信号经 过另一支路(支路2)直接通过第二AD模数转换器11送入图像重构系统13；

步骤6：停止本次采样，在控制系统12作用下，DMD微镜阵列4按照局部 随机化哈达玛矩阵的下一列进行开关状态分布的转换，同时使APD单点探测器 6恢复初始状态，准备开始下一次采样；

步骤7：重复步骤2～6，直到完成M次采样，次数M小于像素数N(M通 常为N的1/3到1/2)，从而将长度为N的高维信号转化为长度为M的低维信号；

步骤8：采样完成后，如图2所示，图像重构系统13利用采集的信息进行 图像重构：把支路2送来的电压信号进行积分，积分时间为T(T＞＞π/ω),且为π/ω 的整数倍，则

一共得 M个这样的值，利用稀疏度自适应匹配追踪算法，可以把各像素上对 应的电压值V的分布进行重构，即[V]_N×1；将对应的V值代入后， 可得到M个令这就是经过压缩感知得到的M维 信号；

设待测信号为N维列向量s在快速傅立叶变换基Ψ下的稀 疏表示为x，即s＝Ψx；测量矩阵采用M行N列的局部随机化哈达玛矩阵Φ， 则总的测量过程是

$y=\Phi s=\Phi \Psi x=\Theta x$

这实际是一个求解min||x||₀，的最优化问题，其中||x||₀代表l₀范数；这 里仍采用稀疏度自适应匹配追踪算法进行重构求解；求得x后，就可以通过 s＝Ψx求得s；待测信号s携带了各点的相位信息，通过相位法测距的换算关系， 就可以求得各点距离，在控制系统12的作用下，在图像重构系统13的显示屏 上显示成像结果。