[發明專利]一種時域超分辨壓縮感知全波形激光雷達測距方法及裝置

有效

• 申請號: 201711172883.4
• 申請日: 2017-11-22
• 公開（公告）號: CN108072878B
• 公開（公告）日: 2021-10-19
• 發明（設計）人: 柯鈞
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G01S17/10
• 分類號: G01S17/10
• 代理公司: 北京正陽理工知識產權代理事務所(普通合伙) 11639
• 代理人: 唐華

本發明涉及一種時域超分辨壓縮感知全波形激光雷達測距方法及裝置，具體涉及一種采用寬脈寬激光脈沖、低帶寬電光調制器及探測設備的時域超分辨壓縮感知全波形激光雷達測距方法及實現系統，屬于傳感器和測距領域。為了突破激光雷達系統對高帶寬設備的依賴，本發明將壓縮感知技術應用于全波形激光雷達信號采集與恢復，通過時域超分辨壓縮感知技術突破激光雷達系統距離分辨率限制。本發明利用低帶寬光強調制器，可采用寬脈寬脈沖激光光源、低帶寬光電探測器、低帶寬A/D轉換器、以及小容量數據存儲器實現超分辨率全波形激光雷達信號采集，并采用恢復算法獲得最終全波形激光雷達信號。

技術領域

本發明涉及一種時域超分辨壓縮感知全波形激光雷達測距方法及裝置，具體涉及一種采用寬脈寬激光脈沖、低帶寬電光調制器及探測設備的時域超分辨壓縮感知全波形激光雷達測距方法及實現系統，屬于傳感器和測距領域。

背景技術

激光雷達技術經過幾十年的發展，已經成為測距測量中的一種重要技術手段。其在獲取近海海底地形地貌、森林植被分布、以及城市區域三維信息方面具有廣泛應用。激光雷達技術中最典型的測距方法是通過計算激光脈沖往返于光源、目標和探測器之間的飛行時間(ToF-Time of Flight)實現單一位置的距離測量。第一代激光雷達將目標反射回波與光源參考脈沖通過相關器進行相關運算，再經過計數器測量相關結果中最大值的位置確定脈沖飛行時間，之后將這一飛行時間乘以光速獲得目標點的距離信息。系統的測距精度由激光光源脈沖寬度、探測器帶寬、系統接收端晶振以及計數器精度等因素確定。使用相關器的第一代激光雷達系統只能給出回波信號的最強位置，無法記錄回波波形。隨著探測器技術以及數據采集技術的發展，目前第三代全波形激光雷達技術(如圖1)成為激光雷達發展的新方向。該技術采用高速數據采集設備記錄回波信號的全波形。雖然這對于目標完整的三維信息采集以及后期的數據處理分析有重要意義，但是全波形激光雷達技術對于高速大容量數據采集存儲設備的依賴，限制制約了它的廣泛應用。為了解決這一問題，壓縮感知技術被應用于激光雷達應用中。

壓縮感知技術是近十年來學術界發展的前沿方向之一。利用信號的稀疏特性，壓縮感知可以從很少的采集數據中恢復原始信號。在激光雷達應用中，由于激光雷達信號的稀疏性，適用于壓縮感知。已有的相關研究主要包括，2011～2014年，Montana州立大學的Babbitt教授研究組提出對連續激光光源及回波信號進行高頻調制并采用低帶寬探測器采集調制后回波信號，進而恢復原始時域稀疏信號(如圖2)。這一系統采用了壓縮感知概念，但是該方法針對單一回波或少數幾個回波脈沖信號，并未應用于全波形激光雷達。

在傳統的激光雷達系統中，系統的距離分辨率由系統中的最小時間間隔Δt決定。這一最小時間間隔Δt為以下三個時間間隔中的最大數值：激光光源的脈寬Δt_pul，光電探測器帶寬ΔB所定義采樣間隔Δt_det，和A/D轉換器定義采樣間隔Δt_A/D。或者說Δt＝max{Δt_pul，Δt_det，Δt_A/D}。激光雷達系統的距離分辨率為Δd＝Δt×c/2，其中c為真空光速。為了減小系統距離分辨率，就需要縮短Δt，或者縮短Δt_pul，Δt_det，和Δt_A/D。而減小這三個時間間隔分別對應著縮短脈沖激光器脈寬、提高光電探測器和A/D轉換器的帶寬。這都對系統的成本提高了要求。

已有的采用壓縮感知的激光雷達系統采用低帶寬探測器和A/D轉換器。但是，系統對光源脈寬仍保持高要求，或者系統需采用高帶寬電光調制器(EOM)調制連續激光光源得到窄脈寬激光脈沖，即脈寬Δt_pul等于EOM帶寬定義的采樣間隔Δt_EOM。在這種情況下，系統的最小時間間隔Δt等于Δt_EOM，并且Δt_EOM大于Δt_det或者Δt_A/D。由此可見這一系統的距離分辨率由EOM的帶寬決定。而高帶寬的EOM并未解決系統的高成本問題。

發明內容