一种基于dmd的四维激光雷达成像装置及方法
【专利摘要】一种基于DMD的四维激光雷达成像装置及方法，该装置包括发射装置，固定在发射装置出光端的目标，固定于目标反射光路上的第一汇聚透镜，固定于第一汇聚透镜汇聚光路上的数字微镜器件DMD，固定于数字微镜器件DMD反射光路上的第二汇聚透镜，固定于第二汇聚透镜汇聚光路上的接收装置；与接收装置连接的混频器，与混频器连接的中频放大器，与中频放大器连接的正交相位检波器，与正交相位检波器连接的信号处理装置；还包括与所述发射装置、混频器和正交相位检波器连接的高稳定信号源，与发射装置、数字微镜器件DMD和信号处理装置连接的同步装置；本发明还公开了基于DMD的四维激光雷达成像方法；本发明对于距离离散分布和连续分布的目标均具有很好的探测效果，成像速度快，图像分辨率高。
【专利说明】
-种基于DMD的四维激光雷达成像装置及方法
技术领域
[0001] 本发明设及激光主动成像技术领域，具体设及一种基于DMD的四维激光雷达成像 装置及方法。
【背景技术】
[0002] 激光作为远距离探测的常用光源，具有能量高、方向性好、传播距离远、单色性好 等优点，用激光作为光源的成像系统具有成像距离远、抗干扰能力强等优点，被广泛用于战 场、考古、测量、检测和城市建模等多个领域。
[0003] 目前，激光主动成像技术主要包括:扫描式激光主动成像和无扫描激光主动成像 两种方案，但运两种方案均存在某些不足之处。
[0004] 扫描式激光主动成像系统主要利用机械扫描，声（电）光扫描，MEMS扫描等扫描方 式实现对目标的Ξ维激光成像。该方案具有探测距离远，信号处理电路简单，成本低廉等优 势，但是，扫描式激光主动成像系统的成像速度受扫描速度和激光器重复频率的制约，难W 获得高速的激光图像。目前，扫描式激光主动成像的图像更新率一般低于10化，难W满足精 确制导技术的需求。
[0005] 无扫描激光主动成像探测系统主要采用基于APD阵列探测器的无扫描激光成像技 术，（如MIT的Gen-III系统，我国哈工大，航天二院研制的激光主动成像雷达）。该方案具有 结构简单，成像速度快的优点，但是，无扫描激光主动成像系统中的核屯、器件是AH)阵列探 测器，运种探测器价格非常昂贵，WSi型32X32Aro阵列为例，每只大约需要十几万元人民 币，若换做灵敏度更高的军用级的InGaAs型APD阵列探测器，单只价格则会接近百万，高昂 的价格严重制约了无扫描激光主动成像技术的研究和应用;此外，受制造工艺和成本的制 约，ATO阵列的分辨率比较低，一般在32 X 32左右，难W获得清晰的目标图像。
[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。应用压缩感知理论， 可W用单元探测器代替传感器阵列，在采集信号的同时进行信号的压缩，虽然采样频率低 于奈奎斯特采样频率，仍旧可极大的精确性恢复出原始信号。基于压缩感知的激光成 像技术，是近几年随着压缩感知理论的发展与应用而出现的一种新型激光主动成像方式， 具有成像速度快，图像分辨率高，成本低等优势，恰恰弥补了传统激光主动成像方案的不 足，极有可能为激光主动成像制导提供一条新的技术途径。
【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DMD的四维激光雷达成像装 置及方法，能够实时地获得目标场景中每一个分辨单元的强度信息和距离信息，不同于目 前已有的基于压缩感知的激光主动成像装置对于距离连续分布的目标无法获得较高的距 离分辨率，本发明对于距离离散分布和连续分布的目标均具有很好的探测效果，成像速度 快，图像分辨率高，成本低，体积小，可W大大提高后续识别、跟踪运动目标的实时性和准确 性，增强雷达适应复杂战场的能力。
[0008] 实现本发明目的的技术思路是:高稳定信号源为发射装置、混频器w及正交相位 检波器提供载频一定的正弦信号。同步装置控制发射装置、数字微镜器件DMDW及信号处理 装置按周期T同步工作。在每一个周期中，发射装置发射脉冲宽度为t、载频为fo的相参脉冲 串信号照在目标上，目标返回来的信号经由第一汇聚透镜传给数字微镜器件DMD，数字微镜 器件DMD对照在其上的入射光按照压缩感知二值随机采样矩阵Φ的形式进行调制后传给第 二汇聚透镜。第二汇聚透镜将数字微镜器件DMD调制过的光信号传给接收装置，接收装置将 载频为f日+fdl(i = l，2,3，…m，m为具有不同运动状态的物体的个数）的光信号转换为电信 号，并作为主振信号传给混频器，其中fdi为反应第i个目标运动信息的多普勒频率。在混频 器中，主振信号与载频为fo-fi的本振信号进行混频，其中fi为中频信号的频率，并通过选频 回路选出频率为fdi+fl的信号输出到中频放大器。中频放大器对其进行功率放大后，进入正 交相位检波器，将载频为fdi的信号检出来送入信号处理装置。在信号处理装置中对信号做 FFT变换，得到信号的频谱图。信号的频谱图为频率fdi(i = l，2,3，'''m，m为具有不同运动状 态的物体的个数)处的sine函数。从幅度谱图中分别提取出w = fdi处的幅值Wi，并计算出所 有多普勒频率为fdi的回波合成信号的强度信息El。从相位谱图W = fdi处的幅值计算出相应 的相位Ψι，得到强度距离混合信息的一次压缩测量值'，经过Μ个采样周期，可W生 成Μ维强度/距离测量向量Υ，对复数信号恢复效果很好的压缩感知重构算法(如SpaRSA，不 限于SpaRSA算法)恢复出四维图像中每一个分辨单元的强度距离混合信息，并据此分别解 算出相应的强度信息和距离信息。
[0009] 为达到W上目的，本发明采用如下技术方案：
[0010] -种基于DMD的四维激光雷达成像装置，包括发射装置1，固定在发射装置1出光端 的目标10，固定于目标10反射光路上的第一汇聚透镜3，固定于第一汇聚透镜3汇聚光路上 的数字微镜器件DMD2，固定于数字微镜器件DMD2反射光路上的第二汇聚透镜4，固定于第二 汇聚透镜4汇聚光路上的接收装置5;与接收装置5连接的混频器6，与混频器6连接的中频放 大器7，与中频放大器7连接的正交相位检波器8，与正交相位检波器8连接的信号处理装置 9;还包括与所述发射装置1、混频器6和正交相位检波器8连接的高稳定信号源11，与所述发 射装置1、数字微镜器件DMD2和信号处理装置9连接的同步装置12;
[0011] 所述发射装置1，发射周期为T、脉冲宽度为t、初相为0的相参脉冲串光信号照在目 标10上；
[0012] 所述数字微镜器件DMD2,依照压缩感知二值随机采样矩阵Φ的形式变换其上的侣 镜状态，对目标10的反射光进行调制，压缩感知二值随机采样矩阵Φ的元素值即对应数字 微镜器件DMD2的侣镜状态，当矩阵元素值为+1时，数字微镜器件DMD2对应位置的侣镜偏转+ 12%将光信号反射到第二汇聚透镜4并传给接收装置5;当矩阵元素值为0时，数字微镜器件 DMD 2对应位置的侣镜偏转-12°，将其上的入射光反射到吸收平面进行入射光吸收；
[0013] 所述接收装置5,采用单点探测器，接收第二汇聚透镜4传来的光信号并转换为电 信号W便后续处理；
[0014] 所述混频器6,是一种典型的频谱搬移电路，它将接收装置5传来的信号作为主振 信号，混频器6的主振信号的频率为fo+fdi，与高稳定信号源11提供的频率为fo-fi的本振信 号进行混频，采用选频回路选出频率为fdi+fl的中频信号；
[0015] 所述中频放大器7，对混频器6传来的中频信号进行功率放大，W便进行后续处理；
[0016] 所述正交相位检波器8,从中频放大器7传来的放大的中频信号中提取出多普勒频 率fdi，得到的信号是频率为多普勒频率fdi的复信号；
[0017] 所述信号处理装置9,对正交相位检波器8传来的复信号进行FFT变换，并运用压缩 感知得到目标10的强度信息和距离信息，即可到目标10的四维图像；
[0018] 所述高稳定信号源11，为发射装置1提供载频为fo的信号，为混频器6提供频率为 fo-fi的正弦本振信号，为正交相位检波器8提供频率为fi的相参基准信号；
[0019] 所述同步装置12,保证发射装置1发射光信号、数字微镜器件DMD2变换其上侣镜状 态W及信号处理装置9对运一次采样得到的数据进行处理Ξ者之间的同步进行；
[0020] 所述正交相位检波器8包括第一乘法器30,与第一乘法器30连接的第一低通滤波 器21;第二乘法器31，与第二乘法器31连接的第二低通滤波器22;与第一乘法器30和第二乘 法器31连接的移相器20。
[0021] 本发明提出的基于DMD的四维激光雷达成像方法包括如下步骤：
[0022] 步骤一，利用信号处理装置9生成一个MX N维的压缩感知二值随机采样矩阵Φ和N XN维的正交稀疏表示矩阵Ψ，其中N = pXq，p为四维图像的纵向分辨单元的个数，q为四维 图像的横向分辨单元的个数，Μ为压缩感知的采样次数，也即相参脉冲串信号的周期数；
[0023] 步骤二，信号处理装置9由压缩感知二值采样矩阵Φ生成Μ个测量子矩阵，并编号 为1，2,3,…Μ;其中:Μ为压缩感知的采样次数；
[0024] 步骤Ξ，根据四维图像的横向分辨单元的个数Ρ和四维图像的纵向分辨单元的个 数q对数字微镜器件DMD2上的侣镜进行分块；
[0025] 步骤四，发射装置1发射载频为fo、周期为T、脉冲宽度为t、初相为0的相参脉冲串 光信号照在目标10上，设当前为第i个周期，并令i = 1;
[0026] 步骤五，目标10的反射光信号经第一汇聚透镜3到达数字微镜器件DMD 2上，同步 装置12控制数字微镜器件DMD2按照编号为i的测量子矩阵设置其上的侣镜状态，完成对目 标10的反射光的随机义样；
[0027] 步骤六，数字微镜器件DMD2上的反射光经第二汇聚透镜4到达接收装置5,接收装 置5将接收到的光信号转化为电信号，并作为主振信号传给混频器6;
[00%]步骤屯，混频器則尋主振信号与高稳定信号源11提供的频率为fo-fi的正弦本振信 号进行混频，采用选频回路选出频率为fdi+fi的中频信号，并传给中频放大器7;
[0029] 步骤八，中频放大器7对传来的含有多普勒频率fdi的中频信号进行功率放大，并传 给正交相位检波器8;
[0030] 步骤九，正交相位检波器則尋中频放大器7传来的中频信号分别与两个相互正交的 相参基准信号相乘后，通过低通滤波器21滤除高频分量后，得到频率为多普勒频率fdi的复 信号，并传给信号处理装置9;
[0031] 步骤十，信号处理装置9对第i个周期得到的复信号进行FFT变换，得到第i个幅度 频谱图和相位谱图；
[0032] 步骤十一，令周期序号数i = i + l，并判断i是否小于压缩感知的采样次数M，如果i 小于等于M，则转至步骤五，如果i大于M，则转至步骤十二；
[0033] 步骤十二，信号处理装置9根据步骤十一得到的Μ个幅度频谱图和相位谱图，通过 压缩感知计算得出目标10的强度信息和距离信息，即得到目标10的四维图像。
[0034] 与现有技术相比，本发明具有W下优点：
[0035] 第一，由于本发明擬弃了传统的扫描式成像，也没有采用价格昂贵且分辨率较低 的ATO阵列探测器，转而采用分辨率极高且状态转换速率也极高的数字微镜器件DMD，所W 成像速度快，图像分辨率高，成本低，恰恰弥补了传统扫描式W及无扫描式激光主动成像方 案的不足。
[0036] 第二，由于本发明采用FFT变换对接收到的回波信号进行分析，能够实时地获得目 标场景中每一个分辨单元的强度信息和距离信息，利用多维信息可W提取出抗干扰性更强 的特征，从而大大提高导引头识别、跟踪运动目标的实时性和准确性，显著增强导弹应对复 杂战场环境的能力。
[0037] 第Ξ，由于本发明并未像现有的基于压缩感知的激光主动成像技术依据脉冲飞行 时间测量法来判断目标的距离，所W连续分布的目标回波相互混叠的现象对本发明的测距 效果无影响，能够显著提高激光图像的距离分辨率，对于距离离散分布和连续分布的目标 均能获得良好的成像效果。
【附图说明】
[0038] 图1为本发明系统的结构示意图。
[0039] 图2为本发明系统中正交相位检波器的结构示意图。
[0040] 图3为本发明方法的实现流程图。
【具体实施方式】
[0041] W下结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
[0042] 如图1所示，本发明基于DMD的四维激光雷达成像装置，包括发射装置1，固定在发 射装置1出光端的目标10，固定于目标10反射光路上的第一汇聚透镜3，固定于第一汇聚透 镜3汇聚光路上的数字微镜器件DMD2,固定于数字微镜器件DMD2反射光路上的第二汇聚透 镜4，固定于第二汇聚透镜4汇聚光路上的接收装置5;与接收装置5连接的混频器6，与混频 器6连接的中频放大器7，与中频放大器7连接的正交相位检波器8，与正交相位检波器8连接 的信号处理装置9;还包括与所述发射装置1、混频器6和正交相位检波器8连接的高稳定信 号源11，与所述发射装置1、数字微镜器件DMD2和信号处理装置9连接的同步装置12。
[0043] 如图2所示，正交相位检波器8，包括第一乘法器30，与第一乘法器30连接的第一低 通滤波器21;第二乘法器31，与第二乘法器31连接的第二低通滤波器22;与第一乘法器30和 第二乘法器31连接的移相器20。
[0044] 本发明基于DMD的四维激光雷达成像装置的工作原理如下：
[0045] 高稳定信号源11为发射装置1、混频器6W及正交相位检波器8提供载频一定的正 弦信号。同步装置12控制发射装置1、数字微镜器件DMD2W及信号处理装置9按周期T同步工 作。在每一个周期中，发射装置发射脉冲宽度为t、载频为fo的相参脉冲串信号照在目标10 上，目标10返回来的信号经由第一汇聚透镜3传给数字微镜器件DMD2,数字微镜器件DMD2对 照在其上的入射光按照压缩感知二值采样矩阵Φ的形式进行调制后传给第二汇聚透镜4。 第二汇聚透镜4将数字微镜器件DMD2调制过的光信号传给接收装置5,接收装置5将载频为 fo+fdl(i = l，2,3，…m，m为具有不同运动状态的物体的个数）的光信号转换为电信号，并作 为主振信号传给混频器6,其中fdi为反应第i个目标运动信息的多普勒频率。在混频器6中， 主振信号与载频为fo-fi的本振信号进行混频，其中fi为中频信号的频率，并通过选频回路 选出频率为fdi+fi的信号输出到中频放大器7。中频放大器7对其进行功率放大后，进入正交 相位检波器8,将载频为fdi的信号检出来送入信号处理装置9。在信号处理装置9中对信号做 FFT变换，得到信号的频谱图。信号的频谱图为频率fdi(i = l，2,3，'''m，m为具有不同运动状 态的物体的个数)处的sine函数。从相位谱图中提取各个不同运动目标的强度信息Ei，从相 位谱图中提取相应的相位信息Ψι，并计算一次压缩测量过程中的强度距离混合信息
，经过Μ个采样周期，可W得到Μ维强度/距离测量向量Υ，再由对复数信号恢复效 果很好的压缩感知重构算法(如SpaRSA，不限于SpaRSA算法)恢复出四维图像中每一个分辨 单元的强度距离混合信息，并通过相应算法分别解算出每一个分辨单元对应的强度信息和 距离信息，即可得到四维图像。
[0046] 如图3所示，本发明提出的基于DMD的四维激光雷达成像方法，包括如下步骤：
[0047] 步骤一，利用信号处理装置9生成一个MX N维的压缩感知二值采样矩阵Φ和NX N 维的正交稀疏表示矩阵Ψ，其中N = pXq，p为四维图像的纵向分辨单元的个数，q为四维图 像的横向分辨单元的个数，Μ为压缩感知的采样次数，也即相参脉冲串信号的周期数；
[0050] 其中bist为巫中第i行，第St列的元素，l《s《p，l《t《q，bist的值取+l或0;
[0051 ]步骤二，信号处理装置9由压缩感知二值采样矩阵Φ生成Μ个测量子矩阵Φ1，并令 编号i为1，2,3,…Μ，其中:Μ为压缩感知的采样次数;每个随机测量子矩阵Φι的形式如下所 示： -
[0化2]
[0053] 第i个测量子矩阵Φι即对应原压缩感知二值采样矩阵Φ的第i行元素；
[0054] 步骤Ξ，根据四维图像的横向分辨单元个数P和四维图像的纵向分辨单元个数q对 数字微镜器件DMD2上的侣镜进行分块；
[0055] 设数字微镜器件DMD2上的侣镜个数为mXn，m为数字微镜器件中横向侣镜的个数， η为数字微镜器件中纵向侣镜的个数;将数字微镜器件DMD2上的侣镜分为P X q块，则每块有 [min{m，n}/max{p，q} ]2个侣镜。W数字微镜器件DMD2上侣镜个数为1024*768和图像分辨率 为64*64为例，将数字微镜器件DMD2上的侣镜分为64*64块，每块有144个侣镜，对应于目标 场景中的一个分辨单元；
[0056] 步骤四，发射装置1发射载频为fo、周期为T、脉冲宽度为t、初相为0的相参脉冲串 光信号照在目标10上，设当前为第i个周期，并令i = 1;
[0057] 步骤五，目标10的反射光信号经第一汇聚透镜3到达数字微镜器件DMD2上，同步装 置12控制数字微镜器件DMD2按照编号为i的测量子矩阵设置其上的侣镜状态，完成对目标 10的反射光的随机采样，当测量子矩阵相应元素值为+1时，将数字微镜器件DMD2对应位置 的侣镜偏转+12%将其上的入射光反射给第二汇聚透镜4并传给接收装置5;当随机矩阵相 应元素值为0时，将数字微镜器件DMD2对应位置的侣镜偏转-12%将其上的入射光反射到吸 收平面进行入射光吸收；
[005引步骤六，数字微镜器件DMD2上的反射光经第二汇聚透镜4到达接收装置5,接收装 置5将接收到的光信号转化为电信号，并作为主振信号传给混频器6;
[0059] 步骤屯，混频器則尋主振信号与高稳定信号源11提供的频率为fo-fi的本振信号进 行混频，采用选频回路选出频率为fdi+fi的中频信号，并传给中频放大器7,具体如下：
[0060] 接收装置5传来的主振信号可W表示巧
I其中CU代表 第i个运动目标上的第j点反射信号的强度信息，鶴代表第i个运动目标上的第j点反射信号 的距离信息。高稳定信号源11提供的频率为fo-fl的本振信号可W表示为COS(23I(fD-fi)t)， 两者混频后可得到如下信号：
[0061]
[0062] 选频回路的低通滤波器滤除掉频率为2fo+fdi-fi的信号后，保留频率为fdi+fi的中 频信号，传给中频放大器7;
[0063] 步骤八，中频放大器7对传来的含有多普勒频率fdi的中频信号进行功率放大，增益 为K，并传给正交相位检波器8;
[0064] 步骤九，正交相位检波器則尋中频放大器7传来的中频信号分别与两个相互正交的 相参基准信号相乘后，通过第一低通滤波器21和第二低通滤波器22滤除高频分量后，得到 频率为多普勒频率fdi的复信号，并传给信号处理装置9,具体如下：
[0065] 设相参基准信号Se(t) = COS(23lflt)，其经过移相器20,可得到与其正交的另一个 相参基准信号3。'（1：)=(303(2时11+31/2)=-3；[]1(2村11：)。将中频信号与相参基准信号3。(1：) =cos (化fit)相乘，可得信号为：
[0066]
[0067]第一低通滤波器21滤除掉其中的高频分量，可得同相通道信号为 [006引
[0069] 将中频信号与相参基准信号sc'（t)=-sin(2地t)相乘，可得信号为：
[0070]
[0071] 第二低通滤波器22滤除掉其中的高频分量，可得正交通道信号为：
[0072]
[0073] 由此可获得正交双通道信号X (t)为：
[0074]
[0075] 步骤十，信号处理装置9对第i个周期得到的复信号进行FFT变换，得到第i个幅度 频谱图和相位谱图；
[0076] 步骤十一，令周期序号数i = i + l，并判断i是否小于压缩感知的采样次数M，如果i 小于等于M，则转至步骤五，如果i大于M，则转至步骤十二；
[0077] 步骤十二，信号处理装置9根据步骤十一得到的Μ个幅度频谱图和相位谱图，通过 压缩感知计算得出目标10的四维图像，具体如下：
[0078] 12.1)选取Μ个幅度频谱图中频率为fdi处的幅值Wi，并用公式Ei = WiA分别计算出 相应的Ei，其中τ已知，为相参脉冲串光信号的脉冲宽度；
[0079] 12.2)计算一次采样过程中强度距离混合信息的一次压缩测量值
同时有
Aij反映了第i个运动目标第j点反射信号的强度 信息，按心反映了第i个运动目标第j点反射信号的距离信息。其中au和bu由一次采样过程 中第i个运动目标第j点反射信号的距离信息和强度信息共同决定；
[0080] 12.3)经过Μ个采样周期，即可得到Μ个运样的测量值，并由此生成Μ维强度/距离测 量向量Υ。同时计算压缩感知的全息算子Α=ΦΨ，其中Φ为ΜΧΝ维的压缩感知二值采样矩 阵，Ψ为Ν X腺隹的正交稀疏表示矩阵；
[0081] 12.4)根据公式丫 = 4}1，通过对复数信号恢复效果很好的压缩感知重构算法59曰尺5八 计算出h，进而由公式C=Wh计算出目标10每一点处的距离信息和强度信息，C为NX 1维的 列向量，其中N=pXq:
[0082] C=[打 1 Cl2. . .Clq C2I C22. . .C2q. . . .Cpl. ,Cpq]T
[0083] 变换得到：
[0084]
[0085] C中的每一个元素都是由目标10中每一个分辨单元对应的强度信息化神日距离信息 Φυ共同决定的，印
[0086] 12.5)根据如下公式计算出目标10中每一个分辨单元对应的距离信息Φυ:
[0087]
[0088] 12.6)根据如下公式计算出目标10中每一个分辨单元对应的强度信息化J:
[0089]
[0090] 12.7)得到了目标10中每一个分辨单元对应的距离信息和强度信息，即得到了目 标10的四维图像。
【主权项】
1. 一种基于DMD的四维激光雷达成像装置，其特征在于:包括发射装置（1)，固定在发射 装置（1)出光端的目标（10)，固定于目标（10)反射光路上的第一汇聚透镜(3)，固定于第一 汇聚透镜(3)汇聚光路上的数字微镜器件DMD(2)，固定于数字微镜器件DMD(2)反射光路上 的第二汇聚透镜(4)，固定于第二汇聚透镜(4)汇聚光路上的接收装置(5);与接收装置(5) 连接的混频器(6)，与混频器(6)连接的中频放大器(7)，与中频放大器(7)连接的正交相位 检波器(8)，与正交相位检波器(8)连接的信号处理装置(9);还包括与所述发射装置（1)、混 频器(6)和正交相位检波器(8)连接的高稳定信号源（11)，与所述发射装置(1)、数字微镜器 件DMD(2)和信号处理装置(9)连接的同步装置(12); 所述发射装置（1)，发射周期为T、脉冲宽度为t、初相为0的相参脉冲串光信号照在目标 (10)上； 所述数字微镜器件DMD(2)，依照压缩感知二值随机采样矩阵Φ的形式变换其上的铝镜 状态，对目标（10)的反射光进行调制，压缩感知二值采样矩阵Φ的元素值即对应数字微镜 器件DMD (2)的铝镜状态，当矩阵元素值为+1时，数字微镜器件DMD (2)对应位置的铝镜偏转+ 12°，将光信号反射到第二汇聚透镜4并传给接收装置(5);当矩阵元素值为0时，数字微镜器 件DMD(2)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； 所述接收装置(5)，采用单点探测器，接收第二汇聚透镜(4)传来的光信号并转换为电 信号以便后续处理； 所述混频器(6)，是一种典型的频谱搬移电路，它将接收装置(5)传来的信号作为主振 信号，混频器(6)的主振信号的频率为fQ+fdl，与高稳定信号源（11)提供的频率为^-^的本 振信号进行混频，采用选频回路选出频率为fdAh的中频信号； 所述中频放大器(7)，对混频器(6)传来的中频信号进行功率放大，以便进行后续处理； 所述正交相位检波器(8)，从中频放大器(7)传来的放大的中频信号中提取出多普勒频 率fdl，得到的信号是频率为多普勒频率f dl的复信号； 所述信号处理装置(9)，对正交相位检波器(8)传来的复信号进行FFT变换，并运用压缩 感知得到目标(10)的强度信息和距离信息，即可到目标(10)的四维图像； 所述高稳定信号源（11 )，为发射装置（1)提供载频为的信号，为混频器6提供频率为 正弦本振信号，为正交相位检波器(8)提供频率为h的相参基准信号； 所述同步装置（12)，保证发射装置（1)发射光信号、数字微镜器件DMD(2)变换其上铝镜 状态以及信号处理装置(9)对这一次采样得到的数据进行处理三者之间的同步进行。 所述正交相位检波器(8)包括第一乘法器(30)，与第一乘法器(30)连接的第一低通滤 波器(21);第二乘法器(31)，与第二乘法器(31)连接的第二低通滤波器(22);与第一乘法器 (30)和第二乘法器(31)连接的移相器(20)。2. 权利要求1基于DMD的四维激光雷达成像装置的成像方法，其特征在于:包括如下步 骤： 步骤一，利用信号处理装置(9)生成一个MXN维的压缩感知二值采样矩阵Φ和NXN维 的正交稀疏表示矩阵Ψ，其中N = pXq，p为四维图像的纵向分辨单元的个数，q为四维图像 的横向分辨单元的个数，Μ为压缩感知的采样次数，也即相参脉冲串信号的周期数； 步骤二，信号处理装置(9)由压缩感知二值采样矩阵Φ生成Μ个测量子矩阵，并编号为 1，2,3,…Μ;其中:Μ为压缩感知的采样次数； 步骤三，根据四维图像的横向分辨单元的个数P和四维图像的纵向分辨单元的个数q对 数字微镜器件DMD(2)上的铝镜进行分块； 步骤四，发射装置1发射载频为f〇、周期为T、脉冲宽度为t、初相为0的相参脉冲串光信号 照在目标(10)上，设当前为第i个周期，并令i = l; 步骤五，目标（10)的反射光信号经第一汇聚透镜(3)到达数字微镜器件DMD(2)上，同步 装置（12)控制数字微镜器件DMD(2)按照编号为i的测量子矩阵设置其上的铝镜状态，完成 对目标(10)的反射光的随机米样； 步骤六，数字微镜器件DMD(2)上的反射光经第二汇聚透镜(4)到达接收装置(5)，接收 装置(5)将接收到的光信号转化为电信号，并作为主振信号传给混频器6; 步骤七，混频器(6)将主振信号与高稳定信号源（11)提供的频率为fo-f:的正弦本振信 号进行混频，采用选频回路选出频率为fd+h的中频信号，并传给中频放大器(7); 步骤八，中频放大器(7)对传来的含有多普勒频率fdl的中频信号进行功率放大，并传给 正交相位检波器(8); 步骤九，正交相位检波器(8)将中频放大器(7)传来的中频信号分别与两个相互正交的 相参基准信号相乘后，通过低通滤波器(21)滤除高频分量后，得到频率为多普勒频率〖^的 复信号，并传给信号处理装置(9); 步骤十，信号处理装置(9)对第i个周期得到的复信号进行FFT变换，得到第i个幅度频 谱图和相位谱图； 步骤十一，令周期序号数i = i + l，并判断i是否小于压缩感知的采样次数M，如果i小于 等于M，则转至步骤五，如果i大于M，则转至步骤十二； 步骤十二，信号处理装置(9)根据步骤十一得到的Μ个幅度频谱图和相位谱图，通过压 缩感知计算得出目标(10)的强度信息和距离信息，即得到目标(10)的四维图像。
【文档编号】G01S17/66GK106066481SQ201610348806
【公开日】2016年11月2日
【申请日】2016年5月24日 公开号201610348806.9, CN 106066481 A, CN 106066481A, CN 201610348806, CN-A-106066481, CN106066481 A, CN106066481A, CN201610348806, CN201610348806.9
【发明人】孙剑, 刘倩玉, 徐飞
【申请人】西安深穹光电科技有限公司