基于压缩感知的激光雷达成像系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于压缩感知的激光雷达成像系统。系统采用单元雪崩二极管APD，有效的突破了目前国产线阵雪崩二极管无法大规模集成的瓶颈问题。系统由激光发射模块，望远镜成像模块，数字微反射镜DMD及控制模块，雪崩二极管APD，同步模块，数据采集模块，图像重构模块组成。该专利通过激光发射模块向目标发射脉冲激光，目标反射回波被数字微反射镜DMD调制，再经过汇聚镜头给单元雪崩二极管APD实现在时间序列上的采样，最后基于压缩感知理论，采用相关的算法重构目标的三维像。本实用新型的优点是：无需任何扫描，结构简单，图像重构所需的数据量小，探测灵敏度高。
【专利说明】基于压缩感知的激光雷达成像系统
【技术领域】
[0001] 本专利涉及计算成像技术以及图像重构算法，信号处理、激光雷达。特别涉及一种 基于压缩感知的激光雷达成像系统。
【背景技术】
[0002] 激光雷达是一种主动光电成像技术，与普通的被动光学遥感探测和微波雷达相比 具有分辨率高，隐蔽性好，极强的抗干扰能力等；能穿过云雾，植被等探测到真实的地面地 形。激光雷达通过向目标发射脉冲激光信号，然后将接收到从目标反射回来的信号（回波 信号）与发射信号进行相关的数据处理，从而就可以提取目标的相关信息，比如目标距离， 方位，姿态，形状等参数。利用这种激光雷达，在军事上就可以对敌方的飞机，导弹等进行跟 踪、探测识别，从而实现精确打击。目前它已经成为我国军事领域中一种不可或缺的技术手 段。
[0003] 传统的激光雷达按工作方式可以分为逐点扫描的摆扫式和线阵推扫式。摆扫式激 光雷达在技术上已经非常成熟，它最大的优点是原理非常简单。但它也存在很大的缺点，比 如难以捕获高速移动的目标；由于存在机械扫描装置，很难做到小型化和轻型化；大量点 云数据将对数据采集系统的数据传输与存储以及后续处理带来极大的压力；另外逐点扫描 的原理，已及飞行速度和扫描速度的限制将导致距离图像的空间分辨率较低。线阵推扫式 激光雷达采用同时发射多束激光和多个探测器的并行探测原理，从而提高覆盖效率和扫描 效率，克服逐点扫描式激光雷达的一些缺点。目前，我国推扫式激光雷达的研究才处于起步 阶段。而线阵的雪崩二极管APD探测器很难做到大规模集成，就目前的技术手段而言，只能 做到25-50单元的APD，线阵APD的工艺瓶颈问题将在很大程度上阻碍推扫式激光雷达的发 展。
[0004] 压缩感知（Compressive Sensing，CS)是由美国斯坦福大学数学家Donoho和 Candes等人（参见文献1、2、3)在2006年提出的一种采样与压缩同步进行的理论。该理论 通过挖掘信号信息的冗余性和稀疏性，在采样过程中，不是获取图像的全部像素采样，而是 通过特定的算法，选择合适的调制模板，即：观测矩阵，每次对信号进行全局采样，然后通过 这些采样结合相关的恢复算法复原图像。与传统的"先采样、后压缩"不同，CS理论是"边 采样、边压缩"的方式，将CS应用于激光雷达成像系统可以显著节省传感器数量，这种"边 采样、边压缩"的方式使得信号处理的技术负担从传感器转移到数据处理上来。因此，基于 压缩感知理论，发展新型的激光雷达成像系统自然的成为本专利所要研究的内容。
[0005] 参考文献：
[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 sampling[C]. International Congress of Mathematics，2006 :1433-1452.
【发明内容】
[0009]本专利的目的是提供一种基于压缩感知的激光雷达成像系统。在探测器方面，采 用单元雪崩二极管APD探测器，克服传统逐点扫描式激光雷达的缺点和避开线阵Af>D技术 工艺的瓶颈问题。在数据获取方面，基于压缩感知理论，采用少量的数据即可重构得到目标 的三维图像，在采样的过程中就以经压缩了数据，缓解传统激光雷达成像中大数据量的采 集、传输、存储压力。
[0010] 本专利提出的解决思路如下：
[0011]如图1所示，该新型激光雷达成像系统包括：激光发射模块1;望远镜成像模块 2 ;数字微反射镜DMD及控制模块3 ;光学汇聚透镜4 ;雪崩二极管APD 5 ;数据采集模块6 ; 图像重构模块7 ;同步模块8。其特征在于：激光发射模块1采用波长1064nm的脉冲式激 光器，其重复频率100Hz，脉冲能量200mJ ;望远镜成像模块2采用焦距为304. 8圓，口径为 101· 6mm的望远镜；数字微反射镜DMD及控制模块3中的数字微反射镜DMD采用1024 X 768 像素，像素大小为13· 69 μ m的DMD ;光学汇聚透镜4的焦距为10cm ;雪崩二极管APD 5的像 元尺寸1· 5mm，暗电流7nA，上升时间5ns ;数据采集模块6采用的采集卡量化位数为10位， 采样率5GSPS ;同步模块8采用FPGA芯片产生三路同步信号；
[0012] 系统各模块之间的工作流程如下：
[0013] 同步模块8发射同步信号给激光发射模块1和数字微反射镜DMD及控制模块3,激 光发射模块1收到同步信号后，开始向场景目标发射脉冲激光，设定场景目标有k个，被目 标反射的回波信号依次记为￥，X2. . . Xk ;
[0014] 数字微反射镜DMD及控制模块3同时也收到同步信号，然后加载一个调制模板，发 送给DMD，调制模板的总数设定为Μ个。第Μ次调制时的调制模板记为：θ M，具体取值为一 个事先设定好的mXn阶矩阵，矩阵元素的取值为0或者1，所有的元素服从高斯随机分布。 通过调制模板改变DMD微镜的翻转状态，从而达到调制目标回波的作用。实际上Θ Μ就是 压缩感知理论中的观测矩阵，Μ的取值范围为
【权利要求】
1. 一种基于压缩感知的激光雷达成像系统，它包括：激光发射模块（I);望远镜成像模 块（2);数字微反射镜DMD及控制模块（3);光学汇聚透镜（4);雪崩二极管APD(5);数据采 集模块￠);图像重构模块（7);同步模块（8);其特征在于： 所述的激光发射模块（1)采用波长l〇64nm的脉冲式激光器，其重复频率100Hz，脉冲能 量 200mJ; 所述的望远镜成像模块（2)采用焦距为304. 8mm，口径为101. 6mm的望远镜； 所述的数字微反射镜DMD及控制模块（3)中的数字微反射镜DMD采用1024X768像素， 像素大小为13.69iim的DMD; 所述的数据采集模块（6)采用的采集卡量化位数为10位，采样率5GSPS; 所述的同步模块（8)采用FPGA芯片产生三路同步信号； 同步模块（8)发射同步信号给激光发射模块（1)和数字微反射镜DMD及控制模块（3)， 激光发射模块（1)收到同步信号后，开始向场景目标发射脉冲激光，设定场景目标有k个， 被目标反射的回波信号依次记为=X1,X2. ..Xk ; 数字微反射镜DMD及控制模块（3)同时也收到同步信号，然后由控制模块加载一个调 制模板，发送给DMD，调制模板的总数设定为M个，第M次调制时的调制模板记为：0 M，具 体取值为一个高斯随机分布的mXn阶矩阵,矩阵元素的取值为0或者I,M的取值范围为： M^ ?
，其中N=mXn，S为xk的稀疏度； 经过DMD调制后的回波信号被光学汇聚透镜（4)汇聚到雪崩二极管APD(5)上。在DMD的每一次调制过程中，不同距离的目标回波信号到达AH)上的时间不同，将时间依次记为： 。最终在AH)探测器上探测到的信号会依次出现多个峰值，每一个峰值对应 一个目标物体； 雪崩二极管APD(5)探测到的信号经过数据采集模块（6)采集后，在时间序列 4,4 ...4上，依次得到对应的M组数字信号值,/i./J; 最后，图像重构模块（7)对数据采集模块（6)采集到的信号进行处理，最终得到每个目 标的三维像。
【文档编号】G01S7/48GK204086540SQ201420462539
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年8月15日 优先权日:2014年8月15日
【发明者】马彦鹏, 舒嵘, 亓洪兴, 王义坤, 王雨曦, 葛明锋 申请人:中国科学院上海技术物理研究所