基于apd阵列的三维激光成像系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及压缩感知三维成像技术领域，尤其涉及基于压缩感知的三维成像系统 及成像方法。
【背景技术】
[0002] 信息获取是信息科学的重要分支，其中三维信息的获取尤为重要。和二维图像相 比，三维图像能够能够更加全面地表示物体，提供更加丰富的信息如距离、方位、大小和姿 态等，这使得三维成像在导航、考古、测量、检测和城市建模等多个领域有广泛应用。
[0003] 传统的三维成像主要有两种：被动式三维成像和主动式三维成像。被动式三维成 像是基于计算机视觉的方法，仿照人类利用双目线索感知距离的方法，需要在同一场景的 不同位置拍摄两幅或两幅以上的图像，通过计算空间点在两幅图像的视差，获取空间点的 三维信息。由于被动三维成像对光照及物体形态的先验认识有极大的依赖性，使其在某些 场合有极大的局限性。而且被动式三维成像还会因为视角的不同和物体的遮挡丢失信息， 对其恢复的精确性也有一定影响。
[0004] 主动式三维成像的一种方式是点扫描。扫描方式需要精密的光机电扫描装置，系 统体积大，成本高，且成像分辨率受点扫描效率较大，一般难以满足高分辨率和高成像速 率，同时还面临着海量数据存储和传输等难以突破的瓶颈。
[0005] 面阵探测也是主动式三维成像的一种方式，成像精度受面阵分辨率影响较大，同 时这种方法还面临着传感器阵列制造工艺的限制。以Aro阵列探测器为例，目前基于Aro阵 列的探测器主要由国外制造，而大面阵的探测器被限制进口，目前市场上能得到的APD阵 列大小是8*8,无法获得更大面阵的Aro阵列，这就极大地限制了基于Aro阵列的成像精度， 如何用低分辨率的传感器阵列高速获取高精度的图像成为一个亟待解决的问题。
[0006] 近几年出现的压缩感知理论为解决上述问题提供了新思路，而且目前将压缩感知 应用于三维成像的研究还很少。它将信号的采集与压缩合二为一，每次测量多重传输了若 干个点的信息。当采样频率远远低于奈奎斯特采样定理的要求时，不需要知道每个点的具 体信息，就可以以极大的准确率恢复出原始稀疏信号。当原始信号为非稀疏信号时，应将原 始信号变换为某个频域的稀疏信号。用压缩感知重构算法恢复出频域的稀疏信号后，可进 一步通过反变换恢复出原始信号。压缩感知可以极大地减少数据量，更加利于传输和存储。
【发明内容】
[0007] 为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于压缩感知的三维成像系统及 成像方法，能够以低分辨率的APD传感器阵列同时获得高分辨率的距离像和强度像，突破 传感器阵列的限制，成像效果更好，速度更快，同时又不受光照、视角等外部条件的影响，数 据量大为精简，更加利于传输和存储。
[0008] 实现本发明目的的技术思路是：利用激光发射器发射脉宽足够大的脉冲覆盖整个 目标，用单元Aro探测器探测半透半反镜反射的激光脉冲，用Aro阵列探测器探测数字微镜 器件反射的激光脉冲。由测时电路鉴别数字微镜器件的反射光脉冲和半透半反镜的反射光 脉冲到达的时间，计算时间间隔，即可得到目标各点的距离信息。利用数字微镜器件对目标 的反射光进行随机采样，以减少整个过程的数据量，最后利用现有的压缩感知重构算法（BP 或OMP)可恢复出目标的距离像。根据Aro阵列探测器探测得到的光强，由压缩感知重构算 法（BP或OMP)可恢复出强度像。
[0009] 为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
[0010] 基于Aro阵列的三维激光成像系统，包括激光发射器4,固定在激光发射器4出光 端的半透半反镜5,入射光以45°角入射于半透半反镜5,固定于半透半反镜5透射光路上 的达曼光栅6,目标物体12固定于达曼光栅6的出光端，固定于目标物体12反射光路上的 第一汇聚透镜1，固定于第一汇聚透镜1汇聚光路上的数字微镜器件DMD7,固定于数字微镜 器件DMD7反射光路上的第二汇聚透镜2,固定于第二汇聚透镜2汇聚光路上的8*8的APD 阵列探测器9 ;固定于半透半反镜5反射光路上的第三汇聚透镜3,固定于第三汇聚透镜3 汇聚光路上的单元AH)探测器8 ;与所述单元AH)探测器8和8*8的AH)阵列探测器9连 接的测时电路10,与测时电路10和数字微镜器件DMD7连接的计算机处理模块11。
[0011] 激光发射器4,以高频率发射脉宽足够大的脉冲以覆盖整个目标，便于得到整个目 标的二维息；
[0012] 半透半反镜5,将激光器发射的激光一部分透射过去，一部分反射给单元Aro探测 器，以便得到阵列探测器和单元探测器测得信号的时间差；
[0013] 达曼光栅6,用于在后场形成高强度且能量分布均匀的阵列光束，减少光束能量分 布不均对测距的影响，消除激光相干性和灰尘造成的散斑噪声，提高能量利用率，更加易于 实现小型化、轻型化和低功耗；
[0014] 数字微镜器件DMD7,对目标物体上的反射光进行随机采样，二进制随机矩阵的元 素即对应数字微镜器件的铝镜，当矩阵元素值为+1时，数字微镜器件对应位置的铝镜偏转 +12°，将激光反射到汇聚透镜2并传给Aro阵列探测器；当矩阵元素值为-1时，数字微镜 器件对应位置的铝镜偏转-12°，将其上的入射光反射到吸收平面进行入射光吸收；
[0015] 8*8的APD阵列探测器9,接收数字微镜器件反射回来的激光信号并转化为电信 号，传给测时电路进行时刻鉴别；
[0016] 单元AH)探测器8,探测半透半反镜反射的激光信号并转换为电信号，传给测时电 路进彳丁时刻鉴别；
[0017] 测时电路10,鉴别APD阵列探测器和单元Aro探测器探测得到的激光脉冲的到达 时刻，计算时间间隔，从而求出目标各点的距离信息；采用已有专利：一种新型时刻鉴别电 路（申请公布号：CN103297003A)中公布的电路结构和时刻鉴别方法，采用同一个后续处理 电路处理发出和接收的激光信号，而不是将其分别送入两套不同的后续处理电路，可以消 除不同电路中电子元件和芯片所带来的误差，提高测距精度。
[0018] 计算机处理模块11，生成压缩感知MXN维的测量矩阵和NXN维的稀疏表示矩阵， 运用比较成熟的压缩感知恢复算法（0ΜΡ或BP)，对得到的光强和距离信息进行处理，从而 得到目标的三维图像。
[0019] 上述所述基于APD阵列的三维成像系统的成像方法，包括如下步骤：
[0020] 步骤一，利用计算机处理模块11生成一个MXN维的测量矩阵，其中N=pXq，p 为三维图像的对应矩阵的行数，q为三维图像对应矩阵的列数：
[0021] 其中blst为第i行，第st列的元素，1彡s彡p，1彡t彡q，blst的值取1或0 ;
[0022]
[0023] 步骤二，计算机处理模块11根据生成的测量矩阵第一行的元素值设定数字微镜 器件DMD7的状态，当测量矩阵相应元素值为1时，将数字微镜器件DMD7对应位置的铝镜偏 转+12° ;当测量矩阵相应元素值为0时，将数字微镜器件DMD7对应位置的铝镜偏转-12° ;
[0024] 步骤三，打开激光发射器4的光源，半透半反镜5将一部分激光反射给单元AH)探 测器8,将一部分激光透射过去对目标物体进行照射。
[0025] 步骤四，单元Aro探测器8接收到激光脉冲后，传给测时单元10,测时单元10记录 下此时脉冲到达的时刻t。；
[0026] 步骤五，达曼光栅6对半透半反镜5透射的激光进行调制，形成强度高且能量分布 均匀的阵列光束，阵列光束照在目标物体上；
[0027] 步骤六，数字微镜器件DMD7对目标物体的反射光进行采样；数字微镜器件DMD7内 部偏转为+12°的铝镜将其上的入射光反射到第二汇聚透镜2上并传给8*8的APD阵列探 测器9,得到随机采样信号；数字微镜器件DMD7内部偏转为-12°的铝镜将其上的入射光反 射到吸收平面进行入射光吸收；
[0028] 步骤七，8*8的APD阵列探测器9的每个探测单元探测数字微镜器件DMD7对应位 置返