一种基于压缩感知的激光雷达成像装置及成像方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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（Compressing sensing，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】
[0004] 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。
[0005] 为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：
[0006] -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AH)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AH)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。
[0007] 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：
[0008] 步骤1 :初始化装置，调幅激光光源1开始工作；
[0009] 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 ;
[0010] 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， Aro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；
[0011] 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 ;
[0012] 步骤5 :在步骤4进行的同时，AH)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 ;
[0013] 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；
[0014] 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；
[0015] 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?W为快速傅立叶变换基；设待测信号A=hin(2p)lv.xi在快速傅立 叶变换基下的稀疏表示为x，即s=WX，于是总的测量过程为
[0016] y= O-S' = = 0.T
[0017] 通过求解最优化问题minIIXII。，J= 0X，得到一个长度为N的列向量X，再经过 变换s =wx，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。
[0018] 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】
[0019] 图1是本发明基于压缩感知的激光雷达成像装置原理图。
[0020] 图2是图像重构系统的工作流程图。
【具体实施方式】
[0021] 现结合附图和具体实施例，对本发明作进一步的详细描述：
[0022] 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。
[0023] 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AH)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AH)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、AH)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。
[0024] 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：
[0025] 步骤1 :初始化装置，调幅激光光源1开始工作，发射激光；
[0026] 步骤2 :DMD数字微镜4是由一系列可驱动