压缩扫描激光雷达的制作方法

技术特征：

1.一种用于增加由来自照射光斑的接收光形成的图像的分辨率的方法，包括：

测量测量核A₁至A_M的y向量，其中M为所述测量核的数量，测量所述y向量包括：

使用所述测量核A₁至A_M中的第j个测量核A_j对位于接收的反射场景光斑的返回路径中的可编程的N像素微镜或掩模进行编程；

测量y，其中y为针对各距离单元r_i的景物反射率f(α,β)与所述测量核A_j的内积，其中α和β分别为方位角和高度角；

重复对所述可编程的N像素微镜或掩模进行编程并测量各测量核A₁至A_M的y向量；以及

使用测得的所述y向量形成重建图像，其中形成所述重建图像包括使用压缩传感或Moore-Penrose重建。

2.根据权利要求1所述的方法，其中测量y包括：

使用具有频率调制连续波FMCW调制的光源照射所述光斑：

使用FMCW相干探测；以及

使用傅立叶分析。

3.根据权利要求1所述的方法，其中形成重建图像包括：

如果M小于N，并且如果θ为充分稀疏，则使用压缩传感采用L₁范数来重建f：

$\widehat{\mathrm{\θ}}=\underset{\mathrm{\θ}}{\mathrm{argmin}}\left(\right||y-AD\mathrm{\θ}|{|}_2^2+\mathrm{\α}\left|\right|\mathrm{\θ}\left|{|}_1\right)$

$\hat{f}=D\widehat{\mathrm{\θ}}$

其中，D包括字典D，θ包括相应系数。

4.根据权利要求1所述的方法，其中形成重建图像包括：

如果M大于或等于N，使用矩阵A的Moore-Penrose逆来重建f

$\hat{f}=A^{+}y$

其中A⁺＝(A^HA)^-1A^H。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述照射光斑由扫描激光器照射，且其中所述方法还包括：

扫描所述激光器；以及

为每个被所述激光器照射的光斑重复形成重建图像；

其中测量y还包括：

从所述扫描激光器发射具有三角形频率调制连续波FMCW的激光束；

将所述发射的激光束的一部分与所述接收光在光电二极管探测器混合从而进行相干探测；

其中所述扫描激光器包括扫描微镜；且

其中所述可编程的N像素微镜与所述扫描微镜同步从而保持所述接收光对焦在光电二极管探测器上。

6.根据权利要求1所述的方法，还包括：

使用激光器照射所述照射光斑；以及

使用光电二极管探测器探测所述接收光；

其中光电二极管输出电流为：

$i\left(t\right)=S({\mathrm{\Φ}}_{lo}+{\mathrm{y\Φ}}_o+2\sqrt{{\mathrm{y\Φ}}_{lo}{\mathrm{\Φ}}_o}cos({\mathrm{\ω}}_{b}t+\mathrm{\φ}\left)\right)+i_b$

其中y为景物反射率f(α,β)与测量核A_j的内积，φ_o为输出激光功率；φ_1o为本机振荡器功率，ω_b为所述激光器和所述接收光之间的差拍，φ为所述激光器和所述返回光之间的相位差，S为二极管响应率，i_b为二极管偏置电流，并且t为时间。

7.根据权利要求2所述的方法，还包括：

使用以下方程式确定所述照射光斑的目标分量的参数，包括各目标分量的距离R_a、距离不确定度△R_a以及速度v_t：

$f_R=\frac{f_1+f_2}{2}=\frac{4R_a\mathrm{\Δ}f}{{\mathrm{cT}}_{\mathrm{mod}}}$

$f_D=\frac{f_2-f_1}{2}=\frac{2v_t}{\mathrm{\λ}}$

${\mathrm{\ΔR}}_a=\frac{c}{2\mathrm{\Δ}f};$

其中，f₁为照射所述光斑的源的频率，f₂为所述接收光的频率。

8.根据权利要求1所述的方法，其中：

各测量核A_j为二元的。

9.根据权利要求1所述的方法，其中：

所述N像素微镜或掩模中的各像素可以设置为开启从而使所述接收光通过至光电二极管探测器，或者设置为关闭从而阻挡所述接收光到达所述光电二极管探测器；并且

还包括：

随着时间来调制所述N像素微镜或掩模中的像素为开启或关闭；以及

在光电探测器二极管中将所述N像素微镜或掩模中的像素的通过的或阻挡的接收光进行整合，从而提供多值测量核。

10.根据权利要求1所述的方法，还包括：

使方位和高度角分辨率适应于照射光斑，从而优化兴趣区域的分辨率并更新速率，包括：

通过对所述可编程的N像素微镜或掩模进行编程来改变有效的可编程的N像素微镜或掩模分辨率，从而有效地减小N；以及

改变测量M的次数。

11.一种激光雷达系统，包括：

具有功率为φ_o的发射光束的脉冲频率调制激光器；

与所述激光器光学耦合的微镜，用于扫描穿过场景的所述发射光束，从而在所述场景中照射光斑；

光电二极管探测器；

耦合于所述光电二极管探测器并具有功率φ_1o的所述发射光束的一部分；以及

位于从照射光斑反射的接收光的光路中的可编程的N像素镜或掩模阵列，所述可编程的N像素镜或掩模阵列光学耦合于所述光电二极管探测器。

12.根据权利要求11所述的系统，还包括：

用于测量测量核A₁至A_M的y向量的工具，其中M为所述测量核的数量，所述用于测量所述y向量的所述工具包括：

用于使用所述测量核A₁至A_M中的第j个测量核A_j对所述可编程的N像素微镜或掩模进行编程的工具；

用于测量y的工具，其中y为针对各距离单元r_i的景物反射率f(α,β)与所述测量核A_j的内积，其中α和β分别为方位角和高度角；

用于重复对所述可编程的N像素微镜或掩模进行编程以及测量各测量核A₁至A_M的y的工具；以及

用于使用测得的所述y向量形成重建图像的工具，所述形成重建图像包括压缩传感或Moore-Penrose重建；

其中，如果M小于N，并且如果θ为充分稀疏，则使用所述压缩传感采用L₁范数来重建f:

$\widehat{\mathrm{\θ}}=\underset{\mathrm{\θ}}{\mathrm{argmin}}\left(\right||y-AD\mathrm{\θ}|{|}_2^2+\mathrm{\α}\left|\right|\mathrm{\θ}\left|{|}_1\right)$

$\hat{f}=D\widehat{\mathrm{\θ}}$

其中，D包括字典D，θ包括相应系数；并且

其中，所述Moore-Penrose重建用于：如果M大于或等于N，则使用矩阵A的Moore-Penrose逆来重建f

$\hat{f}=A^{+}y$

其中A⁺＝(A^HA)^-1A^H。

13.根据权利要求11所述的系统，其中：

其中所述光电二极管探测器的光电二极管输出电流为

$i\left(t\right)=S({\mathrm{\Φ}}_{lo}+{\mathrm{y\Φ}}_o+2\sqrt{{\mathrm{y\Φ}}_{lo}{\mathrm{\Φ}}_o}cos({\mathrm{\ω}}_{b}t+\mathrm{\φ}\left)\right)+i_b$

其中y为所述景物反射率f(α,β)与测量核A_j的内积，φ_o为输出激光功率，φ_1o为本机振荡器功率，ω_b为所述激光器和所述接收光之间的差拍，φ为所述激光器和所述返回光之间的相位差，S为二极管响应率，i_b为二极管偏置电流，并且t为时间。

14.根据权利要求11所述的系统，还包括：

用于使用以下方程式确定所述照射光斑的目标分量的参数的工具，所述参数包括各目标分量的距离R_a、距离不确定度△R_a以及速度v_t：

$f_R=\frac{f_1+f_2}{2}=\frac{4R_a\mathrm{\Δ}f}{{\mathrm{cT}}_{\mathrm{mod}}}$

$f_D=\frac{f_2-f_1}{2}=\frac{2v_t}{\mathrm{\λ}}$

${\mathrm{\ΔR}}_a=\frac{c}{2\mathrm{\Δ}f}$

其中，f₁为所述激光器的频率，f₂为所述接收光的频率。

15.根据权利要求11所述的系统，其中各测量核A_j为二元的。

16.根据权利要求11所述的系统还包括：

用于将所述N像素微镜或掩模中的各像素设置为开启从而使所述接收光通过至光电二极管探测器、或者设置为关闭从而阻挡所述接收光到达所述光电二极管探测器的工具；以及

用于随着时间来调制所述N像素微镜或掩模中的像素为开启或关闭从而提供多值测量核的工具。

17.一种激光雷达，包括：

用于扫描场景和在所述场景中照射光斑的扫描激光器；

用于探测从所述场景反射的接收光的光电二极管探测器；

反射的接收光的光路中的可编程的N像素镜或掩模阵列，所述可编程的N像素镜或掩模阵列光学耦合于所述光电二极管探测器；以及

用于形成重建图像的工具，所述形成重建图像包括压缩传感或Moore-Penrose重建。

18.根据权利要求17所述的激光雷达还包括：

用于测量核A₁至A_M的y向量的工具，其中M为所述测量核的数量，所述用于测量所述y向量的所述工具包括：

用于使用所述测量核A₁至A_M中的第j个测量核A_j对所述可编程的N像素微镜或掩模进行编程的工具；

用于测量y的工具，其中y为针对各距离单元r_i的景物反射率f(α,β)与所述测量核A_j的内积，其中α和β分别为方位角和高度角；

用于重复对所述可编程的N像素微镜或掩模进行编程以及测量各测量核A₁至A_M的y工具；以及

用于使用测得的所述y向量形成重建图像的工具，所述形成重建图像包括压缩传感或Moore-Penrose重建。

19.根据权利要求18所述的激光雷达，其中用于形成重建图像的所述工具包括：

压缩传感工具，其中如果M小于N，并且如果θ为充分稀疏，则使用所述压缩传感工具采用L₁范数来重建f:

$\widehat{\mathrm{\θ}}=\underset{\mathrm{\θ}}{\mathrm{argmin}}\left(\right||y-AD\mathrm{\θ}|{|}_2^2+\mathrm{\α}\left|\right|\mathrm{\θ}\left|{|}_1\right)$

$\hat{f}=D\widehat{\mathrm{\θ}}$

其中，D包括字典D，θ包括相应系数。

20.根据权利要求18所述的激光雷达，其中用于形成重建图像的所述工具包括：

Moore-Penrose重建，其中所述Moore-Penrose重建用于：如果M大于或等于N，则使用矩阵A的Moore-Penrose逆来重建f

$\hat{f}=A^{+}y$

其中A⁺＝(A^HA)^-1A^H。

21.根据权利要求17所述的激光雷达：

其中所述光电二极管探测器的光电二极管输出电流为

$i\left(t\right)=S({\mathrm{\Φ}}_{lo}+{\mathrm{y\Φ}}_o+2\sqrt{{\mathrm{y\Φ}}_{lo}{\mathrm{\Φ}}_o}cos({\mathrm{\ω}}_{b}t+\mathrm{\φ}\left)\right)+i_b$

其中y为所述景物反射率f(α,β)与测量核A_j的内积，φ_o为输出激光功率，φ_1o为本机振荡器功率，ω_b为所述激光器和所述接收光之间的差拍，φ为所述激光器和所述返回光之间的相位差，S为二极管响应率，i_b为二极管偏置电流，并且t为时间；并且

还包括：

用于使用以下方程式来确定所述照射光斑中的目标分量的参数的工具，所述参数包括各目标分量的距离R_a、距离不确定度△R_a以及速度v_t

$f_R=\frac{f_1+f_2}{2}=\frac{4R_a\mathrm{\Δ}f}{{\mathrm{cT}}_{\mathrm{mod}}}$

$f_D=\frac{f_2-f_1}{2}=\frac{2v_t}{\mathrm{\λ}}$

${\mathrm{\ΔR}}_a=\frac{c}{2\mathrm{\Δ}f}$

其中f₁为所述激光器的频率，以及f₂为所述接收光的频率。