利用随机采样实现激光雷达快速三维成像的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种利用随机采样实现激光雷达快速三维成像的装置及方法，装置包括脉冲激光器、光束均匀扩束器、光调制器、光学成像系统、像增强器、CCD探测器、延时脉冲发生控制器。本发明专利技术方法通过融合距离选通技术、随机采样和欠采样信息复原技术，实现由CCD探测器单次曝光图像反演获取场景三维和强度信息，提高了成像系统的三维成像实时性，尤其是在强散射环境下的三维成像效能，在目标探测、识别和追踪等领域具有很好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及三维激光成像雷达领域，具体是一种利用随机采样实现激光雷达快速三维成像的装置及方法。
技术介绍
多年来三维成像技术一直被人们研究并被应用到遥感、生物和国防等多种领域。传统基于像增强成像器件的激光雷达利用距离选通技术探测不同距离处场景的回波信号来重建场景三维图。该类系统正朝着小型化方向发展，系统一般采用小型脉冲激光器、具有选通功能的像增强器和CCD探测器，一般CCD探测器的帧频要远小于激光器脉冲和像增强器开关门的频率。传统成像系统为了获取场景的三维信息，需要CCD探测器多次曝光采集大量的切片信息来复原场景三维信息。尤其是在强散射环境(水下、雨、雾等)下，需要采用距离选通技术来消除路径散射光的干扰，为了获取场景三维信息，也必须要进行大量的CCD曝光采集，这限制了系统探测的实时性，进而限制了系统在运动环境等场景下的应用。因此需要降低CCD探测器的采集帧数，提高成像系统的三维成像效能。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种利用随机采样实现激光雷达快速三维成像的装置及方法，以克服现有三维激光成像雷达系统成像速率低的问题，提高系统的三维成像实时性，同时可以有效降低数据量。为了达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案为：利用随机采样实现激光雷达快速三维成像的装置，其特征在于：包括延时脉冲发生控制器、脉冲激光器、光束均匀扩束器、成像透镜、光调制器、像增强器和CCD探测器，所述脉冲激光器的出光同步信号输出端接入延时脉冲发生控制器，所述光调制器、像增强器和CCD探测器的时序控制端接入延时脉冲发生控制器。所述的利用随机采样实现激光雷达快速三维成像的装置，其特征在于：脉冲激光器能发射窄脉冲宽度的光束且具有出光同步输出信号。利用随机采样实现激光雷达快速三维成像的装置，其特征在于：光调制器具有外部触发和调制信号可控的功能。利用随机采样实现激光雷达快速三维成像的装置，其特征在于：像增强器具有选通功能。利用随机采样实现激光雷达快速三维成像的装置，其特征在于：延时脉冲发生控制器能产生脉宽可控和高精度时间延迟脉冲触发信号。利用随机采样实现激光雷达快速三维成像的方法，其主要步骤为：1)脉冲激光器发射脉冲激光同时出光同步信号接入延时脉冲发生控制器，激光器发射的脉冲激光经过光束均匀扩束器进行光强均匀和扩束后照射目标场景；2)目标场景的反射光经成像透镜后到达光调制器进行随机采样；3)像增强器对随机采样后的信号进行选通和放大；4)重复执行1-3步，其中对每次光调制器施加的随机采样矩阵进行变换，且保证这些采样矩阵相互正交，像增强器每次进行不同的延时开门；5)在CCD探测器单次曝光时间内执行上述操作，此时探测采集到了多次随机采样、选通和放大的场景图像信息；6)将CCD探测器单曝光时间内采集的单帧图像同随机采样矩阵做相关运算，可以解析出不同距离处目标的欠采样反射率信息；7)利用压缩感知理论从解析的欠采样信息中还原出场景不同距离处的完整反射率信息；8)最后利用延时脉冲发生控制器提供的延时信息，计算出距离信息，获得目标场景的三维信息。本专利技术融合距离选通技术、随机采样技术和欠采样信息复原技术，利用光调制器来实现随机采样，由调制信息相关性确定距离信息，通过压缩感知实现欠采样信息的复原，由此实现通过CCD探测器单次曝光图像反演获取场景三维和强度信息，提高了成像系统的三维成像实时性，在目标识别与追踪领域具有广泛的应用价值，具有广阔的应用前景。附图说明图1为本专利技术的结构示意图。图2为成像系统的具体时序图。图3为雷达系统实验结果图。具体实施方式如图1所示，一种利用随机采样实现激光雷达快速三维成像的方法，其装置包括脉冲激光器1、光束均匀扩束器2、成像透镜3、光调制器4、像增强器5、CCD探测器6、延时脉冲发生控制器7；脉冲激光器1发出脉冲激光，经光束均匀扩束器2调制后具有较大的截面分布，且光强分布均匀；经光束均匀扩束器2后的光束照射到目标场景上，目标场景反射光经成像透镜3到达光调制器4上；经过光调制器4调制的目标场景回波信号经像增强器5进行选通和放大。在CCD探测器6单次曝光时间段内有多次场景回波信号，依次对不同回波信号进行不同的调制、选通和放大，这样CCD探测器6单曝光时间内累加获取多次不同调制、选通和放大的信息；延时脉冲发生控制器7控制脉冲激光器1、光调制器4、像增强器5和CCD探测器6的工作时序关系；在CCD探测器6单曝光时间段内，脉冲激光器1发射多次脉冲光，场景返回了多个脉冲回波信号，光调制器4对不同的脉冲回波信号依次施加不同的随机采样矩阵，不同随机采样矩阵之间相互正交，同时像增强器5依次对不同的调制脉冲回波信号进行不同的延时选通和放大；利用CCD探测器6单曝光时间段内采集的单帧图像同随机采样矩阵之间的相关性，可以分离出不同距离处目标的反射率信息，由于光调制器4对回波信号进行了随机采样，因此分离出的不同距离处的目标信号为欠采样信息；利用压缩感知理论可以从分离出的欠采样信息还原出不同距离处场景的反射率信息；利用延时脉冲发生控制器7的延时参数，可以计算出场景的距离，利用场景的距离和反射率信息就可以获得目标场景的三维信息，同时可以获取场景的完整反射率信息。时间延时触发是本系统实施的关键技术，图2给出了成像系统的具体时序图。不考虑激光脉冲脉宽的限制，对应的系统距离分辨率Δz为：其中，c为光在空气中的传播速度，Δt为成像系统的像增强器开门宽度。假设CCD探测器单曝光时间段内获取的图像为I，则式中，Ri代表距离di处的目标场景的反射率信息，Si代表具有0，1的二值随机采样矩阵，且随机采样矩阵具有如下性质：其中，0表示全零矩阵。由CCD探测器获得的单曝光图像I以及随机采样矩阵Si，二者进行相关运算，得：I*Si＝(R1*S1+R2*S2+…+Ri*Si+…+Rn*Sn)*Si(3)，对(3)式展开、化简，得到：I*Si＝Ri*Si*Si令，Y＝I*Si＝Ri*Si(4)，Si*Ri对应由像增强器选通的某一特定距离的欠采样图像，Y代表分离出的欠采样图像，由压缩感知原理，可以由Y还原出高精度的图像Ri。argmin[||Y-Ri*Si||2+λΦTV(Ri)](5)，这里，ΦTV代表总变分(TV)模型函数，λ表示平滑系数。通过求解公式(5)，就可以获得高精度的图像Ri。选定复原图像Ri背景像素值a作为阈值，将复原图像Ri转化为二值图像Xi，利用延时脉冲发生控制器的延时参数，可以计算出场景的距离：将场景的距离信息di和二值图像Xi加权处理可以获得目标场景的三维信息D：同时将复原信息累加就可以获取场景的完整强度信息IR：显然，本领域的技术人员可以通过对本专利技术所涉及基于随机采样技术的快速三维场景成像雷达进行改动和变型而不脱离本专利技术的精神和范围。这样，如果这些修改和变动属于本专利技术权利要求及其等同技术的范围之内，则本专利技术也意图包含这些修改和变型在内。实验结果：为验证本专利技术方法的可行性，进行了一次实验，实验结果如图3所示。实验的目标场景如图3中的(a)所示，场景中放置了三个目标物体，其中，①号目标物体与系统的距离约为5.5m，②号目标物体与系统的距离约为6.6m，③号目标物体与系统的距离约为7.7m。图3中的(b)为成像雷达系统CCD单曝光时间内采集到的图像，图3中的(c)为本文档来自技高网...

【技术保护点】
利用随机采样实现激光雷达快速三维成像的装置，其特征在于：包括延时脉冲发生控制器、脉冲激光器、光束均匀扩束器、成像透镜、光调制器、像增强器和CCD探测器，所述脉冲激光器的出光同步信号输出端接入延时脉冲发生控制器，所述光调制器、像增强器和CCD探测器的时序控制端接入延时脉冲发生控制器。

【技术特征摘要】
1.利用随机采样实现激光雷达快速三维成像的装置，其特征在于：包括延时脉冲发生控制器、脉冲激光器、光束均匀扩束器、成像透镜、光调制器、像增强器和CCD探测器，所述脉冲激光器的出光同步信号输出端接入延时脉冲发生控制器，所述光调制器、像增强器和CCD探测器的时序控制端接入延时脉冲发生控制器。2.根据权利要求1所述的利用随机采样实现激光雷达快速三维成像的装置，其特征在于：脉冲激光器能发射窄脉冲宽度的光束且具有出光同步输出信号。3.根据权利要求1所述的利用随机采样实现激光雷达快速三维成像的装置，其特征在于：光调制器具有外部触发和调制信号可控的功能。4.根据权利要求1所述的利用随机采样实现激光雷达快速三维成像的装置，其特征在于：像增强器具有选通功能。5.根据权利要求1所述的利用随机采样实现激光雷达快速三维成像的装置，其特征在于：延时脉冲发生控制器能产生脉宽可控和高精度时间延迟脉冲触发信号。6.一种基于权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：时东锋，王英俭，吕申龙，黄见，苑克娥，胡顺星，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：安徽;34