CN106461785B - 压缩扫描激光雷达 - Google Patents

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Abstract

一种用于增加由来自照射光斑的接收光组成的图像的分辨率的方法，包括测量测量核A1至AM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AM中的第j个测量核Aj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ri的景物反射率f(α,β)与所述测量核Aj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AM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。

Description

压缩扫描激光雷达
相关申请的交叉引用
本申请要求申请号为14/317,753、申请日为2014年6月27日的美国专利申请的权益和优先权，其全部内容以引用方式结合于此。
本申请要求申请号为14/317,695、申请日为2014年6月27日的美国专利申请的权益和优先权，其全部内容以引用方式结合于此。
关于联邦资助声明
无
技术领域
本公开涉及光探测和测距(LIDAR或激光雷达)，尤其涉及扫描激光雷达。
背景技术
现有实时激光雷达系统一般包括两类。第一类由大型昂贵的机械扫描雷达系统(比如Velodyne-64,售自Velodyne Lidar公司)构成。
这样的机械扫描雷达系统采用大型旋转镜来扫描多个激光束并采用反射激光脉冲的飞行探测时间来测量沿不同波束方向的各光斑的距离(range)。第二类由闪光激光雷达构成，其借助各个脉冲照射整个场景并使用时间闸控(time-gated)光电二极管阵列来使反射光成像和测量各像素的距离。
旋转镜激光雷达系统庞大、笨重且功率消耗大，并在高度方向的角度分辨率低，从而受到激光束的数量的限制，例如，受限于Velodyne-64激光雷达中的64道光束的限制。方位分辨率受到激光光斑尺寸的限制。闪光激光雷达系统测距受限，因为激光脉冲功率在整个场景传播，这大大减少了被物体反射以及被探测器孔捕捉的功率的量。此外，闪光激光雷达角度分辨率和视场受到探测器阵列中的时间闸控光电二极管的数量的限制。
需要的是一种在尺寸、重量以及功率(SWAP)方面改善的激光雷达，其具有改善的视场(FOV)、距离分辨率以及角度分辨率。还需要一种能采用可变分辨率使三维场景的不同部分成像的激光雷达，从而可对最显著或最重要的兴趣区域进行高角度分辨率的成像并同时保持高帧率以及低计算负荷。本公开的实施例解决了这些需求以及其它需求。
发明内容
在此公开的第一实施例中，提供了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AM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AM中的第j个测量核Aj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(rangebin)ri的景物反射率f(α,β)与所述测量核Aj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AM的y；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。
在此公开的另一实施例中，提供了一种雷达激光系统，包括：具有功率φo的发射光束的脉冲频率调制激光器；光学耦合于所述激光器的微镜，用于扫描横穿场景的发射光束，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φ1o的部分所述发射光束；以及在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。
在此公开的另一实施中，提供了一种激光雷达，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；在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。
通过下述详细说明和附图，这些以及其它特征和优点将变得更加明显。在附图和说明书中的标记指代各种特征，相同标记指代所有附图和说明书中相同特征。
附图说明
图1示出了根据(L&P 628659-9)的扫描激光雷达，其中角度分辨率受到激光光斑散度的限制；
图2示出了根据本公开的扫描激光雷达，其中通过使用压缩传感使角度分辨率提高N倍；
图3示出了根据本公开的压缩传感扫描激光雷达架构；
图4示出了根据本公开的形成场景光斑和测量核的内积的过程。
图5A示出了发射的激光束和接收的反射场景光斑的频率，图5B示出了根据本公开的与接收的反射场景相应的发射激光束差拍(beat)的差拍频率(beat frequency)；以及
图6示出了根据本公开的3D场景帧的重建的处理流程。
具体实施方式
下述描述中，大量具体细节用于清楚描述在此公开的各实施例。本领域技术人员将理解到：所要求保护的发明的实施可以不必使用所有以下具体细节。在其它实例中，为了不使本发明晦涩难懂，对于公知的特征没有进行描述。
本公开为小型和低成本的实时激光雷达传感系统，其利用了扫描激光束、可编程的微镜阵列、使用单个光电二极管进行探测并使用压缩传感方法来感应场景的3D表达并具有大视场以及不受激光光斑尺寸限制的角度分辨率。通过将成像光斑划分成多个区域从而也可使用多个光电二极管，并且每个区域使用一个光电二极管从而通过并行计算来加速处理。
该方法也可使用可变的角度分辨率使3D场景的不同部分成像，从而实现最显著或重要的感兴趣区域的高分辨率成像并同时保持高帧率和低计算负荷。
压缩传感已被Richard.Baraniuk在“Compressive Sensing”描述，见2007年7月份的IEEE信号处理杂志第118-120页和第124页，其全部内容如附录A所示结合于此(从本说明书的第17页开始)。
根据本公开的激光雷达的SWAP和成本比现有旋转镜系统要小得多并且角度分辨率和视场比现有基于成像探测器阵列的闪光激光雷达系统要大得多。分辨率也可以与场景中的不同的感兴趣区域相适应，从而大大增加了系统的光学效率和计算效率。
本公开的压缩传感激光雷达兼具机械扫描镜系统的光效率和大视场并在方位、高度以及距离三个维度上都具有3D场景的高分辨率重建，并且全部实现在基于微镜阵列技术和压缩传感重建方法的紧凑且低成本的封装内。通过使用频率调制连续波(FMCW)调制以及使用结合了压缩传感重建算法的单个光电二极管的外差探测，可以感测3D场景且角度分辨率不受激光光斑尺寸或探测器元件的数量的限制。
申请序列号为14/317,695、申请日为2014年6月27日的美国专利申请(其全文以引用的方式结合于此)描述了一种微电机械系统(MEMS)微镜扫描激光雷达系统，其作为现有实时激光雷达系统的一种低沉本和低SWAP的替代。该扫描激光雷达系统的操作如图1所示。该系统利用扫描激光器12、激光器的频率调制连续波(FMCW)调制、
单个光电二极管14以及FMCW调制的相干探测16来测量目标的各个3D(三维)分辨单元的距离。使用双轴微镜在方位和高度上同步扫描传输的激光脉冲以及接收器孔隙，从而使信噪比(SNR)最大化。如图1所示，MEMS扫描镜系统的角度分辨率受到激光光斑散度的限制。对于0.2度的典型激光散度18来说，在距离50m处将产生直径20cm的光斑20。虽然这足以检测行人的物体尺寸大小，例如物体识别之类的许多应用需要在较大距离位置具有更高的分辨率。
图2示出了根据本公开的使用压缩传感的扫描激光器。在接收器孔隙中使用可编程的N镜MEMS镜阵列或可编程的N像素掩模(mask)26，从而使用如图1所描述的相同基本结构来执行压缩测量。N镜MEMS镜阵列或可编程的N像素掩模26可作为MEMS而实施。通过利用非线性压缩传感重建方法，在可分辨的方位角和高度角的数量上可使角度分辨率提高N倍。可编程的微镜阵列26可以为N像素微镜阵列，比如TexasInstrument公司制造的数字微镜装置(DMD)。
图3示出了根据本公开的压缩传感扫描激光雷达结构。激光器12由啁啾激光脉冲信号30的频率的线性啁啾来调制。具有功率φo的发射光束可从镜32反射至双轴微镜34，从而扫描穿过(across)场景的发射光束36。具有功率φ1o的光束38的一部分与来自场景的反光在光电二极管探测器14混合用以进行相干探测。来自激光器12的光，可如图2所示，具有0.2度的波束宽度，在场景上照射一个小光斑。来自场景的反射40被可为微电子机械系统(MEMS)的接收器可编程的N像素镜阵列42或为可编程的N像素掩模42定向至透镜44，从而将光斑聚焦到光电二极管14上。接收器可编程的N像素镜或掩模阵列42与也可为微电子机械系统(MEMS)的双轴微镜34同步，用于将来自扫描光束36的反射40保持聚焦在光电二极管14上。
接收的反射激光场景光斑40可由f(α,β)φo 40表示，如图3和图4所示，其中f(α,β)为被具有功率φo的发射激光束36照射的场景的反射率，α和β分别为方位角和高度角。
接收的反射激光场景光斑40在接收器可编程的镜或掩模阵列42中乘以测量核Aj46，形成接收的反射激光场景光斑和各个测量核Aj 46的积43，如图4所示。测量核可以是二元的，意思是N像素微镜或掩模42中的各像素可以设置为开启(on)从而使光通过至光电二极管14，或者设置为关闭(off)从而阻挡像素光进入电二极管14。此处“开启”和“关闭”对应于各个微镜的不同倾斜角。二元的测量核Aj 46能通过对接收器可编程的镜阵列42中的N个微镜中的几个进行编程来实现，从而将光倾斜偏离接收器透镜孔隙44，或通过对N像素可编程的掩模编程来实施使得返回光的部分区域被掩住(masked)且掩模的部分区域对于返回光是透明的。
可使用接收器可编程的镜或掩模阵列42中的各个镜或掩模的时间调制来实现具有多值元素的测量核Aj 46。例如，像素可设置为开启一时间段t1然后设置为关闭一时间段t2，然后通过光电二极管将结果整合来实现具有非二元值的测量核Aj 46。
光电二极管14执行Aj f(α,β)φo的空间整合，形成内积测量yφo48，如图3和图4所示，其中y为景物反射率f(α,β)与测量核Aj的内积，φo为输出激光功率。
光电二极管14输出电流由下式给出：
其中，y为景物反射率f(α,β)与测量核Aj的内积，φo为输出激光功率；φ1o为本机振荡器功率，ωb和φ分别为如图5B所示的差拍频率41、本机振荡器频率(即发射激光束36的频率)与返回光(即接收的反射场景光斑40)之间的相位差，S为二极管响应率，ib为二极管偏置电流，t为时间。
通过使用频率调制连续波(FMCW)调制来调制发射的脉冲光束36，可确定测量核Aj的目标光斑分量的距离Ra、距离不确定度△Ra以及速度vt。图5A示出了发射的激光束36和接收的反射场景光斑40的频率，图5B示出了与接收接收的反射场景混合的发射激光束的相应差拍频率41。通过使用FMCW调制，FMCW相干探测50能使用下述方程式来确定目标光斑分量的参数，包括距离Ra、距离不确定度△Ra以及速度vt，其中f1为发射光束36的频率，f2为接收的反射激光场景光斑40的频率，如图5A所示。
其中Tmod为发射和处理每个FMCW调制激光脉冲的循环时间，△f为发射光的最大频移，如图5A所示。
通过使用快速傅立叶变换(FFT)52进行傅立叶变换并提取出差拍频率分量41的功率，如图5B和图3的流程块54所示，对于每个距离单元ri可测量测量核Aj的y，其中y为景物反射率f(α,β)与测量核Aj的内积。
针对A1到AM的每个测量核重复该过程，其中M是测量核的数量。结果为测量向量y，可表示为：
y＝Af+ξ
其中f为设置成向量的景物反射率图像，A为由不同测量核Aj 46的行向量组成的测量矩阵，ξ为加性噪声。因为知道真实场景不是随机的，与差拍频率分量f其中之一相关的距离的反射率可分解成使用字典D和相应系数θ的稀疏表示：
f＝Dθ
f可重置成3D场景的距离切片f(α,β)，其中α和β为方位角和高度角。
对从目标照射和反射的光斑的重建可使用光斑的压缩传感重建56或者光斑的Moore-Penrose重建57来执行，如图3所示。
如果做了M次测量且M小于N，其中N为在可编程的接收微镜或掩模阵列42中的镜或掩模的数量，以及如果θ在f＝Dθ中为充分稀疏的，那么可使用压缩传感来重建使用L1范数(L1 norm)的f:
已经开发了压缩传感场的多种软件工具来有效解决上述优化问题。这些工具的例子有Lasso、L1-MAGIC、Sparselab、SPAMS以及YALL1。
如果M大于或等于N，那么可使用矩阵A的Moore-Penrose逆来重建f：
其中A+＝(AHA)-1AH
可预计算Moore-Penrose逆A+。使用Moore-Penrose逆的优点在于不需要稀疏性并且重建由简单矩阵-向量相乘构成，并可非常快速的执行。缺点在于相比压缩传感需要多次测量。
重建的结果为光斑的3D重建60。每个距离切片58表示在特定距离处由FMCW相干探测50和FFT 52确定的光电二极管信号i(t)中的差拍频率分量。重建的3D光斑的分辨率和品质共同取决于N和M。因为在距离切片图像中的重建像素的数量等于N，相比于分辨率受限于激光光斑尺寸的非压缩系统，相对小的N和M值将很大倍数地增加分辨率。
为了完成整个扫描场景的重建，发射光束36被扫描至场景中的相继光斑，然后重建每个相继光斑。
光斑的压缩传感和重建的处理过程的流程示意图如图6所示。在步骤100中，加载第一测量核，然后在步骤102中使用第一测量核A146对可编程的N像素微镜或掩模42进行编程，用于对接收的反射场景光斑40进行第一次测量。接着在步骤104，针对各距离单元ri使用FMCW相干探测50、FFT处理52以及流程块54来测量和提取景物反射率f(α,β)与测量核A1的内积y。然后针对各个测量核Aj对接收的反射场景光斑40重复进行步骤102和104，直至在步骤106确定已经使用了所有A1至AM的测量核测量并提取了y。
接下来在步骤108中重建3D光斑，如图3中的3D光斑重建60所示。如果进行了M次测量且M小于N，其中N为可编程的N像素接收微镜或掩模阵列42中的可编程的镜或掩模42的数量，以及如果θ为充分稀疏，那么使用压缩传感来执行步骤108，用以重建使用L1范数的f:
如果M大于或等于N，则使用矩阵A的Moore-Penrose逆来执行步骤108：
其中A+＝(AHA)-1AH
接着在步骤110，确定重建的光斑是否为最后的光斑位置。如果否，则重复执行步骤100、102、104、106和108进行下一光斑位置的测量。如果重建的光斑为最后的光斑位置，说明已经重建了激光扫描3D场景图像。
FMCW 50、FFT 52、提取y的测量54、压缩传感56、光斑的Moore-Penrose重建57、3D光斑重建60、可编程的微镜或掩模阵列42的控制以及图6所示过程的执行所需的计算和控制，以及本公开所需的任何其他计算或控制可由任意处理器提供，比如但不限于计算机、处理器、微处理器、微计算机或任何能够执行计算和存储计算结果的元件。
压缩传感扫描激光雷达系统的优点包括相比于机械扫描激光雷达系统具有更小的尺寸、重量和功率(SWAP)以及更低的成本。相比需要一次照射整个场景的闪光激光雷达系统，压缩传感激光雷达还具有更高的角度分辨率、视场以及光学效率。在方位和高度上可分辨的光斑的数量增加N倍，其中N为接收器MEMS微镜阵列或掩模阵列中的镜或掩模的数量。甚至N值小的阵列也会很大倍地增加分辨率并同时保持低的计算负荷。因为距离切片图像被独立地重建，可使用多核处理结构并行重建多个切片。而且，景物反射率和3D结构被同时测量以及自动记录。
通过改变有效接收器微镜或掩模分辨率(N)和测量(M)的次数可使方位和高度角度分辨率与场景的各个部分相适应，从而优化重要的感兴趣区域的分辨率并同时保持更新速率。例如可对可编程的微镜或掩模阵列42进行编程使得N被减少从而获得较低的分辨率。可使用在宽视场的低分辨率取样上操作的算法来探测感兴趣区域(ROIs)。然后可使用使更新速率保持在与低分辨率取样有关的较高值的较大N的高分辨率对ROIs进行重新取样或扫描，且在ROIs的识别上具有高分辨率的优点。通过改变N和M而无需改变场景光斑扫描模式即可增加分辨率。可使用合成分辨率测量核在光斑之内实现可变分辨率，从而进一步减少所需测量的次数。
现已根据专利法对本发明进行了描述，本领域的技术人员将理解如何对本发明进行改变和改进来满足其具体需求或条件。这些改变和改进可以是在不偏离在此公开的本发明的范围和精神的条件下做出的。
前述提供的示例和优选实施例的详细描述为根据法律的要求进行示例说明和公开的目的。本意不在于穷尽也不意于使本发明局限于所描述的具体形式，而仅仅是为了使本领域的其他技术人员理解本发明是如何适用于特定用途和实施的目的。显然本领域技术人员可进行修改和改变。示例性实施例的描述不意于进行限制，包括公差、特征尺寸、具体操作条件、工程说明之类，其可在不同的实施之间变化或随着现有技术的改变而改变，且也不暗含任何限制。申请人相对现有技术做出了本公开，并且考虑到其改进之处以及未来适用的可能性，也即相对于届时的现有技术。本发明的范围应由所写的权利要求书以及适用的等同概念来定义。除非明确规定，在权利要求书中以单数形式提及某要素并非意指“一个和仅一个”。而且，本公开中没有元素、分量、方法或工艺步骤意于贡献给公众，无论是否这些元素、分量、方法或工艺步骤是否有在权利要求书中被明确地引用。此处的权利要素不应理解为受到美国专利法35U.S.C.第112章的第6段的规定的限制，除非该要素在表述上使用“用于……方式”的形式，此处的方法或工艺步骤也不应理解为受到该规定的限制，除非单个步骤或多个步骤在表述上使用“包括……的步骤”的形式。
优选地是包括在此描述的所有要素、部件和步骤。显然本领域技术人员应理解：这些要素、部件和步骤中的任一项可被其它要素、部件和步骤替代或者一起被删除。
概念
本文至少公开了以下概念。
概念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AM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AM中的第j个测量核Aj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ri的景物反射率f(α,β)与所述测量核Aj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AM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。
概念2.概念1的所述方法，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。
概念3.概念1或2的所述方法，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：
其中，D包括字典D，θ包括相应系数。
概念4：概念1或2的所述方法，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
其中
概念5.概念1的所述方法，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。
概念6.概念1或2的所述方法还包括：
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：
其中y为景物反射率f(α,β)与测量核Aj的内积，φo为输出激光功率；φ1o为本机振荡器功率，ωb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，ib为二极管偏置电流，并且t为时间。
概念7.概念2的所述方法还包括：
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Ra、距离不确定度△Ra以及速度vt：
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。
概念8.概念1或2的方法，其中：
各测量核Aj为二元的(binary)。
概念9.概念1或2的所述方法，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。
概念10.概念1或2的所述方法还包括：
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。
概念11.一种激光雷达系统，包括：
具有功率为φo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φ1o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。
概念12.概念11的系统还包括：
用于测量测量核A1至AM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AM中的第j个测量核Aj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ri的景物反射率f(α,β)与所述测量核Aj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AM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:
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
其中
概念13.概念11或12的所述系统，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
其中y为所述景物反射率f(α,β)与测量核Aj的内积，φo为输出激光功率，φ1o为本机振荡器功率，ωb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，ib为二极管偏置电流，并且t为时间。
概念14.概念11或12的所述系统还包括：
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Ra、距离不确定度△Ra以及速度vt：
其中，f1为所述激光器的频率，f2为所述接收光的频率。
概念15.概念11或12的所述系统，其中各测量核Aj为二元的。
概念16.概念11或12的所述系统还包括：
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。
概念17.一种激光雷达系统，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。
概念18.概念17的所述激光雷达还包括：
用于测量核A1至AM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AM中的第j个测量核Aj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ri的景物反射率f(α,β)与所述测量核Aj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AM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。
概念19.概念18的所述系统，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：
其中，D包括字典D，θ包括相应系数。
概念20.概念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
其中
概念21.概念17或18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
其中y为所述景物反射率f(α,β)与测量核Aj的内积，φo为输出激光功率，φ1o为本机振荡器功率，ωb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，ib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Ra、距离不确定度△Ra以及速度vt
其中f1为所述激光器的频率，以及f2为所述接收光的频率。

Claims (20)

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AM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AM中的第j个测量核Aj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ri的景物反射率f(α,β)与所述测量核Aj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AM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：
<mrow> <mover> <mi>&amp;theta;</mi> <mo>^</mo> </mover> <mo>=</mo> <munder> <mrow> <mi>arg</mi> <mi> </mi> <mi>min</mi> </mrow> <mi>&amp;theta;</mi> </munder> <mrow> <mo>(</mo> <mo>|</mo> <mo>|</mo> <mi>y</mi> <mo>-</mo> <mi>A</mi> <mi>D</mi> <mi>&amp;theta;</mi> <mo>|</mo> <msubsup> <mo>|</mo> <mn>2</mn> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>+</mo> <mi>&amp;alpha;</mi> <mo>|</mo> <mo>|</mo> <mi>&amp;theta;</mi> <mo>|</mo> <msub> <mo>|</mo> <mn>1</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
<mrow> <mover> <mi>f</mi> <mo>^</mo> </mover> <mo>=</mo> <mi>D</mi> <mover> <mi>&amp;theta;</mi> <mo>^</mo> </mover> </mrow>
其中，D包括字典D，θ包括相应系数；
其中，A为测量矩阵；并且
其中，所述测量矩阵A的行1至M为所述测量核A1至AM。
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
<mrow> <mover> <mi>f</mi> <mo>^</mo> </mover> <mo>=</mo> <msup> <mi>A</mi> <mo>+</mo> </msup> <mi>y</mi> </mrow>
其中
其中，A为测量矩阵；并且
其中，所述测量矩阵A的行1至M为所述测量核A1至AM。
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：
<mrow> <mi>i</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mi>S</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>&amp;Phi;</mi> <mrow> <mi>l</mi> <mi>o</mi> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>y&amp;Phi;</mi> <mi>o</mi> </msub> <mo>+</mo> <mn>2</mn> <msqrt> <mrow> <msub> <mi>y&amp;Phi;</mi> <mrow> <mi>l</mi> <mi>o</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>&amp;Phi;</mi> <mi>o</mi> </msub> </mrow> </msqrt> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mo>(</mo> <mrow> <msub> <mi>&amp;omega;</mi> <mi>b</mi> </msub> <mi>t</mi> <mo>+</mo> <mi>&amp;phi;</mi> </mrow> <mo>)</mo> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <msub> <mi>i</mi> <mi>b</mi> </msub> </mrow>
其中y为景物反射率f(α,β)与测量核Aj的内积，φo为输出激光功率；φ1o为本机振荡器功率，ωb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，ib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Ra、距离不确定度△Ra以及速度vt：
<mrow> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>f</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>f</mi> <mn>2</mn> </msub> </mrow> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mn>4</mn> <msub> <mi>R</mi> <mi>a</mi> </msub> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>f</mi> </mrow> <mrow> <msub> <mi>cT</mi> <mi>mod</mi> </msub> </mrow> </mfrac> </mrow>
<mrow> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>f</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>f</mi> <mn>1</mn> </msub> </mrow> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <msub> <mi>v</mi> <mi>t</mi> </msub> </mrow> <mi>&amp;lambda;</mi> </mfrac> </mrow>
<mrow> <msub> <mi>&amp;Delta;R</mi> <mi>a</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>c</mi> <mrow> <mn>2</mn> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>f</mi> </mrow> </mfrac> </mrow>
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；
其中，△f为具有频率调制连续波FMCW调制的光源的最大频移；
其中，Tmod为发射和处理每个频率调制连续波FMCW调制的循环时间；
其中，λ为光的波长；并且
其中，c为光速。
8.根据权利要求1所述的方法，其中：
各测量核Aj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φo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φ1o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像素微镜或掩模阵列，所述可编程的N像素微镜或掩模阵列光学耦合于所述光电二极管探测器；
用于测量测量核A1至AM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AM中的第j个测量核Aj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ri的景物反射率f(α,β)与所述测量核Aj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AM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。
12.根据权利要求11所述的系统，还包括：
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:
<mrow> <mover> <mi>&amp;theta;</mi> <mo>^</mo> </mover> <mo>=</mo> <munder> <mrow> <mi>arg</mi> <mi> </mi> <mi>min</mi> </mrow> <mi>&amp;theta;</mi> </munder> <mrow> <mo>(</mo> <mo>|</mo> <mo>|</mo> <mi>y</mi> <mo>-</mo> <mi>A</mi> <mi>D</mi> <mi>&amp;theta;</mi> <mo>|</mo> <msubsup> <mo>|</mo> <mn>2</mn> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>+</mo> <mi>&amp;alpha;</mi> <mo>|</mo> <mo>|</mo> <mi>&amp;theta;</mi> <mo>|</mo> <msub> <mo>|</mo> <mn>1</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
<mrow> <mover> <mi>f</mi> <mo>^</mo> </mover> <mo>=</mo> <mi>D</mi> <mover> <mi>&amp;theta;</mi> <mo>^</mo> </mover> </mrow>
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
<mrow> <mover> <mi>f</mi> <mo>^</mo> </mover> <mo>=</mo> <msup> <mi>A</mi> <mo>+</mo> </msup> <mi>y</mi> </mrow>
其中
其中，A为测量矩阵；并且
其中，所述测量矩阵A的行1至M为所述测量核A1至AM。
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
<mrow> <mi>i</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mi>S</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>&amp;Phi;</mi> <mrow> <mi>l</mi> <mi>o</mi> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>y&amp;Phi;</mi> <mi>o</mi> </msub> <mo>+</mo> <mn>2</mn> <msqrt> <mrow> <msub> <mi>y&amp;Phi;</mi> <mrow> <mi>l</mi> <mi>o</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>&amp;Phi;</mi> <mi>o</mi> </msub> </mrow> </msqrt> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mo>(</mo> <mrow> <msub> <mi>&amp;omega;</mi> <mi>b</mi> </msub> <mi>t</mi> <mo>+</mo> <mi>&amp;phi;</mi> </mrow> <mo>)</mo> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <msub> <mi>i</mi> <mi>b</mi> </msub> </mrow>
其中y为所述景物反射率f(α,β)与测量核Aj的内积，φo为输出激光功率，φ1o为本机振荡器功率，ωb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，ib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Ra、距离不确定度△Ra以及速度vt：
<mrow> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>f</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>f</mi> <mn>2</mn> </msub> </mrow> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mn>4</mn> <msub> <mi>R</mi> <mi>a</mi> </msub> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>f</mi> </mrow> <mrow> <msub> <mi>cT</mi> <mi>mod</mi> </msub> </mrow> </mfrac> </mrow>
<mrow> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>f</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>f</mi> <mn>1</mn> </msub> </mrow> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <msub> <mi>v</mi> <mi>t</mi> </msub> </mrow> <mi>&amp;lambda;</mi> </mfrac> </mrow>
<mrow> <msub> <mi>&amp;Delta;R</mi> <mi>a</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>c</mi> <mrow> <mn>2</mn> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>f</mi> </mrow> </mfrac> </mrow>
其中，f1为所述激光器的频率，f2为所述接收光的频率；
其中，△f为具有频率调制连续波FMCW调制的光源的最大频移；
其中，Tmod为发射和处理每个频率调制连续波FMCW调制的循环时间；
其中，λ为光的波长；并且
其中，c为光速。
15.根据权利要求11所述的系统，其中各测量核Aj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；
用于测量核A1至AM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AM中的第j个测量核Aj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ri的景物反射率f(α,β)与所述测量核Aj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AM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。
18.根据权利要求17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:
<mrow> <mover> <mi>&amp;theta;</mi> <mo>^</mo> </mover> <mo>=</mo> <munder> <mrow> <mi>arg</mi> <mi> </mi> <mi>min</mi> </mrow> <mi>&amp;theta;</mi> </munder> <mrow> <mo>(</mo> <mo>|</mo> <mo>|</mo> <mi>y</mi> <mo>-</mo> <mi>A</mi> <mi>D</mi> <mi>&amp;theta;</mi> <mo>|</mo> <msubsup> <mo>|</mo> <mn>2</mn> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>+</mo> <mi>&amp;alpha;</mi> <mo>|</mo> <mo>|</mo> <mi>&amp;theta;</mi> <mo>|</mo> <msub> <mo>|</mo> <mn>1</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
<mrow> <mover> <mi>f</mi> <mo>^</mo> </mover> <mo>=</mo> <mi>D</mi> <mover> <mi>&amp;theta;</mi> <mo>^</mo> </mover> </mrow>
其中，D包括字典D，θ包括相应系数；
其中，A为测量矩阵；并且
其中，所述测量矩阵A的行1至M为所述测量核A1至AM。
19.根据权利要求17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
<mrow> <mover> <mi>f</mi> <mo>^</mo> </mover> <mo>=</mo> <msup> <mi>A</mi> <mo>+</mo> </msup> <mi>y</mi> </mrow>
其中
其中，A为测量矩阵；并且
其中，所述测量矩阵A的行1至M为所述测量核A1至AM。
20.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
<mrow> <mi>i</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mi>S</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>&amp;Phi;</mi> <mrow> <mi>l</mi> <mi>o</mi> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>y&amp;Phi;</mi> <mi>o</mi> </msub> <mo>+</mo> <mn>2</mn> <msqrt> <mrow> <msub> <mi>y&amp;Phi;</mi> <mrow> <mi>l</mi> <mi>o</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>&amp;Phi;</mi> <mi>o</mi> </msub> </mrow> </msqrt> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mo>(</mo> <mrow> <msub> <mi>&amp;omega;</mi> <mi>b</mi> </msub> <mi>t</mi> <mo>+</mo> <mi>&amp;phi;</mi> </mrow> <mo>)</mo> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <msub> <mi>i</mi> <mi>b</mi> </msub> </mrow>
其中y为所述景物反射率f(α,β)与测量核Aj的内积，φo为输出激光功率，φ1o为本机振荡器功率，ωb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，ib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Ra、距离不确定度△Ra以及速度vt
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其中f1为所述激光器的频率，以及f2为所述接收光的频率；
其中，△f为具有频率调制连续波FMCW调制的光源的最大频移；
其中，Tmod为发射和处理每个频率调制连续波FMCW调制的循环时间；
其中，λ为光的波长；并且
其中，c为光速。
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