[發明專利]一種基于壓縮感知的激光雷達成像系統的圖像重構方法

無效

• 申請號: 201410401868.2
• 申請日: 2014-08-15
• 公開（公告）號: CN104155658A
• 公開（公告）日: 2014-11-19
• 發明（設計）人: 馬彥鵬;舒嶸;亓洪興;王義坤;王雨曦;葛明鋒
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海技術物理研究所
• 主分類號: G01S17/89
• 分類號: G01S17/89
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司 31213
• 代理人: 郭英

技術領域

本發明涉及計算成像技術以及圖像重構算法，信號處理、激光雷達。特別涉及一種基于壓縮感知的激光雷達成像系統的圖像重構方法。

背景技術

激光雷達是一種主動光電成像技術，與普通的被動光學遙感探測和微波雷達相比具有分辨率高，隱蔽性好，極強的抗干擾能力等；能穿過云霧，植被等探測到真實的地面地形。激光雷達通過向目標發射脈沖激光信號，然后將接收到從目標反射回來的信號(回波信號)與發射信號進行相關的數據處理，從而就可以提取目標的相關信息，比如目標距離，方位，姿態，形狀等參數。利用這種激光雷達，在軍事上就可以對敵方的飛機，導彈等進行跟蹤、探測識別，從而實現精確打擊。目前它已經成為我國軍事領域中一種不可或缺的技術手段。

傳統的激光雷達按工作方式可以分為逐點掃描的擺掃式和線陣推掃式。擺掃式激光雷達在技術上已經非常成熟，它最大的優點是原理非常簡單。但它也存在很大的缺點，比如難以捕獲高速移動的目標；由于存在機械掃描裝置，很難做到小型化和輕型化；大量點云數據將對數據采集系統的數據傳輸與存儲以及后續處理帶來極大的壓力；另外逐點掃描的原理，已及飛行速度和掃描速度的限制將導致距離圖像的空間分辨率較低。線陣推掃式激光雷達采用同時發射多束激光和多個探測器的并行探測原理，從而提高覆蓋效率和掃描效率，克服逐點掃描式激光雷達的一些缺點。目前，我國推掃式激光雷達的研究才處于起步階段。而線陣的雪崩二極管APD探測器很難做到大規模集成，就目前的技術手段而言，只能做到25-50單元的APD，線陣APD的工藝瓶頸問題將在很大程度上阻礙推掃式激光雷達的發展。

壓縮感知(Compressive?Sensing，CS)是由美國斯坦福大學數學家Donoho和Candes等人(參見文獻1、2、3)在2006年提出的一種采樣與壓縮同步進行的理論。該理論通過挖掘信號信息的冗余性和稀疏性，在采樣過程中，不是獲取圖像的全部像素采樣，而是通過特定的算法，選擇合適的調制模板，即：觀測矩陣，每次對信號進行全局采樣，然后通過這些采樣結合相關的恢復算法復原圖像。與傳統的“先采樣、后壓縮”不同，CS理論是“邊采樣、邊壓縮”的方式，將CS應用于激光雷達成像系統可以顯著節省傳感器數量，這種“邊采樣、邊壓縮”的方式使得信號處理的技術負擔從傳感器轉移到數據處理上來。因此，基于壓縮感知理論，發展新型的激光雷達成像系統自然的成為本發明所要研究的內容。

參考文獻：

[1]Donoho?D?L.Compressed?sensing[J].IEEE?Transactions?on?Information?Theory，2006，52(4)：1289-1306.

[2]Candès?E，Romberg?J，Tao?T.Robust?uncertainty?principles：exact?signal?reconstruction?from?highly?incomplete?frequency?information[J].IEEE?Transactions?on?Information?Theory，2006，52(2)：489-509.

[3]Candès?E.Compressive?sampling[C].International?Congress?of?Mathematics，2006：1433-1452.

發明內容

本發明的目的是提供一種基于壓縮感知的激光雷達成像系統的圖像重構方法。在探測器方面，采用單元雪崩二極管APD探測器，克服傳統逐點掃描式激光雷達的缺點和避開線陣APD技術工藝的瓶頸問題。在數據獲取方面，基于壓縮感知理論，采用少量的數據即可重構得到目標的三維圖像，在采樣的過程中就以經壓縮了數據，緩解傳統激光雷達成像中大數據量的采集、傳輸、存儲壓力。

本發明提出的解決思路如下：