CN102375144A - 单光子计数压缩采样激光三维成像方法 - Google Patents

Abstract

本专利给出了一种单光子计数压缩采样激光三维成像方法，它适用于地形测绘、信息处理、数字图像处理、地形高精度勘测等领域。该方法是基于单光子单元探测器压缩采样的非扫描激光三维成像方法，并且引入距离选通成像的方法修正基于单光子计数压缩采样得到的时间测量向量，采用压缩感知恢复算法重构得到高精度三维图像。本专利在激光成像及数字图像处理技术领域里具有较好的实用价值和广阔的应用前景。

Description

单光子计数压缩采样激光三维成像方法

(一)技术领域

本发明涉及激光三维成像技术，是一种能够获取目标空间信息的主动光学成像技术。单光子计数压缩采样激光三维成像方法突破了传统单元探测器激光三维成像需要高速扫描机构的局限性，实现单元探测器非扫描三维成像，属于激光成像及数字图像处理技术领域。

(二)背景技术

随着人类科技进步与社会的发展需要，高速飞行器导航、全天候目标识别与跟踪、地形高精度勘测等应用都对目标探测提出了极高的要求。激光成像探测相对于其它主动探测手段如无线电波段雷达、超声波(声纳)探测而言，具有可靠性高，空间分辨率高的优势。其中激光三维成像探测技术是一种能够获取目标空间信息的主动光学探测技术。目前激光三维成像技术所采用的探测器主要有面阵探测器和单元探测器。采用面阵探测器的方法，因无需机械扫描装置，具有高帧频、宽视场、可靠性高、体积小等特点，但其主要问题是由于受器件集成工艺等因素的制约，大面阵探测器实现较难，响应波段受限，且价格昂贵。采用传统单元探测器的方法，优点在于波长选择范围宽，具有可适应于不同波长成像的能力，且单元探测器价格低廉，易于实现，其主要问题是需要高速扫描机构，结构尺寸较大，可靠性差，且对信号处理速度和激光器重频有很高的要求。

本专利给出了基于单光子单元探测器压缩采样的非扫描激光三维成像的方法，并且引入距离选通成像的方法修正基于单光子计数压缩采样得到的时间测量向量，采用压缩感知恢复算法重构获得三维图像。

(三)发明内容

1、目的：本发明针对传统单元探测器激光三维成像需要高速扫描机构的局限性以及传统的雷达成像系统存在海量数据采集和存储问题，给出了单光子计数压缩采样激光三维成像方法，该方法是基于单光子单元探测器压缩采样的非扫描激光三维成像的方法，采用压缩采样对原始信号直接采样，减少了数据采集量，节约了数据存储空间，从而大大的降低了数据处理量。

2、技术方案：本发明给出了单光子计数压缩采样激光三维成像方法。压缩感知(compressed sensing)理论是近年来出现的一种新颖的采样理论，其突破了奈奎斯特采样定理的理论限制。压缩感知理论指出：当信号在某个变换域是稀疏的或可压缩的，可以利用与变换矩阵非相干的测量矩阵将变换系数线性投影为低维观测向量，同时这种投影保持了重建信号所需的信息，通过进一步求解稀疏最优化问题就能够从低维观测向量精确地或高概率精确地重建原始高维信号。其数学表达式为：

$y=\mathrm{\Φf}=\mathrm{\Φ\Ψx}=\widetilde{\mathrm{\Φ}}x$

其中，f∈R^N是原始信号；Φ∈R^M×N(M＜＜N)为测量矩阵；f＝Ψx是f在某变换基Ψ∈R^N×N下的稀疏表示；

记为传感矩阵；y∈R^M为f在测量矩阵Φ下线性投影获得的测量值，为M*1维的低维测量向量。

理论证明原始信号f可由测量向量y通过求解最优l₀范数问题精确重构，其数学表达式为：

${\hat{x}}^{^}=\arg \min {\left|\right|x\left|\right|}_0$ $s.t.\widetilde{\mathrm{\Φ}}x=y$

$\hat{f}=\mathrm{\Ψ}\hat{x}$

单光子计数压缩采样激光三维成像方法具体实现流程为：

第一，同步控制源发出触发信号控制数字微镜阵列进行变换，经过一定的时间延迟触发脉冲激光器发射脉冲激光泛光照明目标，被目标反射的光脉冲经数字微镜阵列调制后通过半反半透镜分为两部分，一部分由单光子计数雪崩光电二极管(APD)接收，通过时间数字转换器得到脉冲飞行时间的测量值，另一部分经光电二极管(PD)得到光强度测量值。

第二，保持同步控制电路的延迟时间不变，重复上述过程M次，获得时间测量向量。

第三，关闭时间测量部分，接着以一定步进值改变同步控制电路延迟时间n次，得到相应n幅切片图像的光强度测量向量，采用压缩感知恢复算法恢复n幅切片图像后，再基于距离选通成像方法(即切片法)获取低精度的三维图像。

第四，通过测量矩阵和切片法重构得到的低精度三维图像来修正时间测量向量，最终由压缩感知恢复算法重构得到高精度三维图像。

3、优点及功效：本发明的优点是克服了传统单元探测器激光三维成像需要高速扫描机构的局限性，采用压缩采样对原始信号直接采样，减少了数据采集量，节约了数据存储空间，并且还能得到三维图像。

(四)附图说明

图1为单光子计数压缩采样激光三维成像组成框图。该系统结构主要由脉冲半导体激光器、激光发射和接收光单元、同步控制电路、数字微镜阵列(DMD)、半反半透镜、雪崩光电二极管(APD)、可编程时间测量单元、光电二极管(PD)以及图像处理单元和显示单元等组成。激光源是由半导体激光器构成，输出脉冲激光；数字微镜阵列是在半导体上布置了一系列微镜片面阵列，其中成像分辨率大小与微镜片的数量密切相关。

图1中符号说明如下：

1 脉冲半导体激光器；  2 同步控制电路；  3 发射透镜；  4 目标；  5 接收透镜；  6数字微镜阵列(DMD)；  7 半反半透镜；  8 时间测量接收透镜；  9 雪崩光电二极管(APD)；  10 可编程时间测量单元；  11 灰度测量接收透镜；  12 光电二极管(PD)；  13同步控制源；  14 快门；  15 图像处理和显示单元。

(五)具体实施方式

本发明是基于单光子单元探测器压缩采样的非扫描激光三维成像方法，并且引入距离选通成像的方法修正基于单光子计数压缩采样得到的时间测量向量，是一种新的激光三维成像方法。

见图1本发明是单光子计数压缩采样激光三维成像方法，具体实现步骤是：

1、同步控制源发出触发信号控制数字微镜阵列进行变换，经过一定的时间延迟触发脉冲激光器发射脉冲激光泛光照明目标，被目标反射的光脉冲经数字微镜阵列调制后通过半反半透镜分为两部分，一部分经单光子计数雪崩光电二极管(APD)接收，通过时间数字转换器得到脉冲飞行时间的测量值，另一部分经光电二极管(PD)得到光强度测量值。其中光强度测量工作时序为：脉冲激光器发出光脉冲，触发同步控制电路经过一定延迟时间开启快门，获得经数字微镜阵列调制的光脉冲强度信息，记为一个强度测量值。

2、脉冲飞行时间的测量值是通过数字微镜阵列调制(相当于测量矩阵Φ)从观察场景反射回来的脉冲激光，采用可编程时间测量系统准确记录时间得到的。

保持同步控制电路的延迟时间不变，重复上述过程M次，获得时间测量向量Y′。采用单光子计数APD器件，由于对于空间上距离相同的点返回的光脉冲经过数字微镜阵列调制后聚焦到APD上时，通过可编程时间测量系统仅能记录一个时间值，而漏计其余距离相同的点所返回的光脉冲对应的时间数值，因此需要对测量向量Y′进行进一步修正。为此在图1中接收部分增加了一个单元光电探测器件(PD)，引入了距离选通成像方法来修正Y′。

3、在获得时间测量向量Y′之后。关闭时间测量部分，接着以一定步进值改变同步控制电路延迟时间n次，得到相应n幅切片图像的光强度测量向量，采用压缩感知恢复算法恢复n幅切片图像后，再基于距离选通成像方法获取低精度的三维图像。

4、依据切片法重构得到低精度三维图像信息判断飞行时间法每次采样测量过程中所漏计的时间数值，以此修正飞行时间法压缩采样获取的测量向量，最后由压缩感知恢复算法重构得到高精度三维图像。

通过上述方法，突破了传统单元探测器激光三维成像需要高速扫描机构的局限性，并且能够由压缩感知恢复算法重构得到高精度三维图像。

本发明的优点是克服了传统单元探测器激光三维成像需要高速扫描机构的局限性，并且没有直接对得到的测量向量进行图像重构，而是通过依据切片法重构得到的低精度三维图像信息判断飞行时间法每次采样测量过程中所漏计的时间数值，以此修正飞行时间法压缩采样获取的测量向量，进而实现三维图像的高精度重构，并且在图像处理中，采用了压缩感知，减少了数据采集量，节约了数据存储空间，从而大大的降低了数据处理量。

Claims (7)

1.单光子计数压缩采样激光三维成像方法，其特征在于：基于单光子单元探测器压缩采样的非扫描激光三维成像的方法，并且引入距离选通成像的方法修正基于单光子计数压缩采样得到的时间测量向量，采用压缩感知恢复算法重构获得三维图像。其包含下列步骤：

(1)同步控制源发出触发信号控制数字微镜阵列进行变换，经过一定的时间延迟触发脉冲激光器发射脉冲激光泛光照明目标，被目标反射的光脉冲经数字微镜阵列调制后通过半反半透镜分为两部分，一部分由单光子计数雪崩光电二极管(APD)接收，通过时间数字转换器得到脉冲飞行时间的测量值，另一部分经光电二极管(PD)得到光强度测量值。其中光强度测量工作时序为：脉冲激光器发出光脉冲，触发同步控制电路经过一定延迟时间开启快门，获得经数字微镜阵列调制的光脉冲强度信息，记为一个强度测量值。

(2)保持同步控制电路的延迟时间不变，重复上述过程M次，获得时间测量向量。

(3)关闭时间测量部分，接着以一定步进值改变同步控制电路延迟时间n次，得到相应n幅切片图像的光强度测量向量，采用压缩感知恢复算法恢复n幅切片图像后，再基于距离选通成像方法获取低精度的三维图像。

(4)通过测量矩阵和切片法重构得到的低精度三维图像来修正时间测量向量，最终由压缩感知恢复算法重构得到高精度三维图像。

2.如权利要求1所述的单光子计数压缩采样激光三维成像方法，其特征在于：是基于单光子单元探测器压缩采样的非扫描激光三维成像的方法。采用单光子计数APD探测器，其波长选择范围宽，具有适应于不同波长和弱光探测成像的能力，这种适应能力是普通APD阵列成像器件所不具备的，且克服了对集成难度高且价格昂贵的大面阵探测器的依赖，同时突破了传统单元探测器激光三维成像需要高速扫描机构的局限性。

3.如权利要求1所述的单光子计数压缩采样激光成像方法，其特征在于：引入距离选通成像的方法修正基于单光子计数压缩采样得到的时间测量向量，采用压缩感知恢复算法重构三维图像。

4.如权利要求1所述的单光子计数压缩采样激光成像方法，其特征在于：脉冲激光器发出光脉冲，触发同步控制电路经过一定延迟时间开启快门，获得经数字微镜阵列调制的光脉冲强度信息。

5.如权利要求1所述的单光子计数压缩采样激光成像方法，其特征在于：保持同步控制电路的延迟时间不变，数字微镜阵列变换M次，分别得到光脉冲飞行时间测量向量和强度测量向量。

6.如权利要求1所述的单光子计数压缩采样激光成像方法，其特征在于：以一定步进值改变同步控制电路延迟时间n次，得到相应n幅切片图像的光强度测量向量，采用压缩感知恢复算法恢复n幅切片图像后，再基于距离选通成像方法获取低精度的三维图像。

7.如权利要求1所述的单光子计数压缩采样激光成像方法，其特征在于：由测量矩阵和切片法重构得到的低精度三维图像来修正时间测量向量，最终由压缩感知恢复算法重构得到高精度三维图像。