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MXN(且M<N) 局部随机化哈达玛矩阵?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 ;
[0027] 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， AH)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；
[0028] 步骤4 :放大的电压信号进入电路进行处理；
[0029] 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 ^sin(O)/ +扔），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+扒），其中1为各分量的峰值，钱为各 分量对应的相位；电路由两条并联支路组成；
[0030] 因为
[0031]
[0032] 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(2?t)，由于
[0033]
[0034] 将混频后的信号再经过低通滤波器后，保留直流分量
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。
[0035] 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 ;
[0036] 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Aro单点探测器6恢复初始状态，准备 开始下一次米样；
[0037] 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；
[0038] 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>>Ji/co)，且为31/?的整数 倍，则
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]NX1j#对应的V值代入
:，这就是经过压缩感知得到的M维信号；
[0040] 设待测信号为N维列向量*5 ，s在快速傅立叶变换基W下的稀疏 表示为X，即S=Wx;测量矩阵采用M行N列的局部随机化哈达玛矩阵(6,则总的测量过 程是
[0042] 这实际是一个求解mini |x|I。，少' = ?X的最优化问题，其中I|x| |。代表1。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=Wx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。
【主权项】
1. 一种基于压缩感知的激光雷达成像装置，其特征在于：包括调幅激光光源（I)，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)发射的调幅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)。2. 权利要求1所述一种基于压缩感知的激光雷达成像装置的成像方法，其特征在于： 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，AH)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，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); 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J= [gsinp识)]Mxi，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.v=Din(2^)]A)<1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 y =Os= O1Ux = & X 通过求解最优化问题min I I x I I。，y =(6)x，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S= [Sin(Zp)Ui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。
【专利摘要】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。
【IPC分类】G01S17/89, G01S7/48
【公开号】CN105223582
【申请号】CN201510551572
【发明人】孙剑, 郑强
【申请人】西安交通大学
【公开日】2016年1月6日
【申请日】2015年9月1日