CN108072878A - 一种时域超分辨压缩感知全波形激光雷达测距方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种时域超分辨压缩感知全波形激光雷达测距方法及装置，具体涉及一种采用宽脉宽激光脉冲、低带宽电光调制器及探测设备的时域超分辨压缩感知全波形激光雷达测距方法及实现系统，属于传感器和测距领域。为了突破激光雷达系统对高带宽设备的依赖，本发明将压缩感知技术应用于全波形激光雷达信号采集与恢复，通过时域超分辨压缩感知技术突破激光雷达系统距离分辨率限制。本发明利用低带宽光强调制器，可采用宽脉宽脉冲激光光源、低带宽光电探测器、低带宽A/D转换器、以及小容量数据存储器实现超分辨率全波形激光雷达信号采集，并采用恢复算法获得最终全波形激光雷达信号。

Description

一种时域超分辨压缩感知全波形激光雷达测距方法及装置

技术领域

本发明涉及一种时域超分辨压缩感知全波形激光雷达测距方法及装置，具体涉及一种采用宽脉宽激光脉冲、低带宽电光调制器及探测设备的时域超分辨压缩感知全波形激光雷达测距方法及实现系统，属于传感器和测距领域。

背景技术

激光雷达技术经过几十年的发展，已经成为测距测量中的一种重要技术手段。其在获取近海海底地形地貌、森林植被分布、以及城市区域三维信息方面具有广泛应用。激光雷达技术中最典型的测距方法是通过计算激光脉冲往返于光源、目标和探测器之间的飞行时间(ToF-Time of Flight)实现单一位置的距离测量。第一代激光雷达将目标反射回波与光源参考脉冲通过相关器进行相关运算，再经过计数器测量相关结果中最大值的位置确定脉冲飞行时间，之后将这一飞行时间乘以光速获得目标点的距离信息。系统的测距精度由激光光源脉冲宽度、探测器带宽、系统接收端晶振以及计数器精度等因素确定。使用相关器的第一代激光雷达系统只能给出回波信号的最强位置，无法记录回波波形。随着探测器技术以及数据采集技术的发展，目前第三代全波形激光雷达技术(如图1)成为激光雷达发展的新方向。该技术采用高速数据采集设备记录回波信号的全波形。虽然这对于目标完整的三维信息采集以及后期的数据处理分析有重要意义，但是全波形激光雷达技术对于高速大容量数据采集存储设备的依赖，限制制约了它的广泛应用。为了解决这一问题，压缩感知技术被应用于激光雷达应用中。

压缩感知技术是近十年来学术界发展的前沿方向之一。利用信号的稀疏特性，压缩感知可以从很少的采集数据中恢复原始信号。在激光雷达应用中，由于激光雷达信号的稀疏性，适用于压缩感知。已有的相关研究主要包括，2011～2014年，Montana州立大学的Babbitt教授研究组提出对连续激光光源及回波信号进行高频调制并采用低带宽探测器采集调制后回波信号，进而恢复原始时域稀疏信号(如图2)。这一系统采用了压缩感知概念，但是该方法针对单一回波或少数几个回波脉冲信号，并未应用于全波形激光雷达。

在传统的激光雷达系统中，系统的距离分辨率由系统中的最小时间间隔Δt决定。这一最小时间间隔Δt为以下三个时间间隔中的最大数值：激光光源的脉宽Δt_pul，光电探测器带宽ΔB所定义采样间隔Δt_det，和A/D转换器定义采样间隔Δt_A/D。或者说Δt＝max{Δt_pul，Δt_det，Δt_A/D}。激光雷达系统的距离分辨率为Δd＝Δt×c/2，其中c为真空光速。为了减小系统距离分辨率，就需要缩短Δt，或者缩短Δt_pul，Δt_det，和Δt_A/D。而减小这三个时间间隔分别对应着缩短脉冲激光器脉宽、提高光电探测器和A/D转换器的带宽。这都对系统的成本提高了要求。

已有的采用压缩感知的激光雷达系统采用低带宽探测器和A/D转换器。但是，系统对光源脉宽仍保持高要求，或者系统需采用高带宽电光调制器(EOM)调制连续激光光源得到窄脉宽激光脉冲，即脉宽Δt_pul等于EOM带宽定义的采样间隔Δt_EOM。在这种情况下，系统的最小时间间隔Δt等于Δt_EOM，并且Δt_EOM大于Δt_det或者Δt_A/D。由此可见这一系统的距离分辨率由EOM的带宽决定。而高带宽的EOM并未解决系统的高成本问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的压缩感知技术未适用于全波形激光雷达，且存在对高带宽设备依赖的问题，提供一种时域超分辨压缩感知全波形激光雷达测距方法及装置。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

一种时域超分辨压缩感知全波形激光雷达测距方法，具体步骤如下：

步骤一、时域超分辨压缩感知全波形激光雷达采用宽脉宽脉冲激光作为系统光源；单个激光脉冲经目标场景反射后，目标场景在距离上的信息加载在回波信号R(t)上。

步骤二、回波信号R(t)到达接收端经过分束，其中每束回波光束通过长度不同的自由空间路径L₁，L₂，…，L_k或不同介质后成为回波信号R₁(t)，R₂(t)，…，R_K(t)，在时间上各回波有不同延时；每一束回波信号再经过耦合装置进入一个低带宽电光调制器(EOM)进行光强调制，得到调制后的回波信号；调制后的信号采用低带宽数据采集设备进行数据采集，但不影响经过目标恢复算法处理后的最终恢复效果。

步骤三、调制后的回波信号经过低带宽探测器完成光信号到电信号的转换。

步骤四、转换后的电信号经过随机选取，部分电信号存储至存储器，再经过恢复算法实现原始全波形激光雷达信号的恢复。

本发明在对激光雷达回波信号进行低带宽电光调制(EOM)和采用低带宽光电探测器及A/D转换器采集回波信号的基础上，随机选取部分数字化后的回波信号进行存储，这种采用压缩感知的全波形激光雷达可解决系统对光电探测器及A/D转换器超高带宽的要求。

采用本发明，目标场景反射所得的回波信号在接收端，经过分束装置分为多束，其中每束回波光束通过长度不同的自由空间路径L₁，L₂，…，L_k或不同介质后，再经过耦合装置进入各自的低带宽电光调制器(EOM)实现信号调制。L_i与L_j(i，j∈{1,…k}并且i≠j)之间的差别小于Δt_EOM×c/2(其中Δt_EOM为低带宽EOM的调制脉宽定义时间间隔)、Δt_det×c/2(其中Δt_det为光电探测器带宽定义的采样间隔)、Δt_A/D×c/2(其中Δt_A/D为A/D转换器采样间隔)、以及Δt_pul×c/2(其中Δt_pul为光源的脉冲脉宽)。上述方法称为时域超分辨方法，能够采用宽脉宽的激光脉冲和低带宽的电光调制器实现高分辨率的全波形激光雷达。

装置一种时域超分辨压缩感知全波形激光雷达测距装置，包括：脉冲光源发射模块、回波信号接收调制模块、数据采集存储模块、数据处理模块、和控制模块。

连接关系：宽脉冲激光照射到目标场景，激光经目标场景反射后被分束装置分成多束；分束后的每束激光被各自的低带宽电光调制器解调后，传输给各自的低带宽光电探测器，将光信号转换为电信号；电信号再经过A/D转换器转换成数字信号；转换后的信号经过随机选取，部分信号存储至存储器；

所述脉冲光源发射模块，采用宽脉宽脉冲激光作为光源，用于照射目标场景。

所述回波信号接收调制模块，通过分束装置将回波光束分为多束，每一束经过传输后耦合至各自的低带宽光强调制器中进行信号调制。

所述传输为经过不同的距离或不同介质的传输，以达到时间上各回波有不同延时的目的；

所述数据采集存储模块，使用低带宽光电感应器和低带宽A/D转换装置将调制后的光信号转换为数字电信号，然后随机选取部分信号进行存储。

所述数据处理模块，采用目标恢复算法从存储的随机信号中恢复原始的全波形激光雷达信号。

所述控制模块，对脉冲光源模块、回波信号接受调制模块中的光强调制器、数据采集存储模块中的随机存储部分、以及数据处理模块进行控制。

有益效果

1、本发明通过使用时域超分辨压缩感知方法，利用低带宽光强调制器，可采用宽脉宽脉冲激光光源、低带宽光电探测器、低带宽A/D转换器、以及小容量数据存储器实现全波形激光雷达信号采集。

2、本发明通过时域超分辨压缩感知技术突破了全波形激光雷达系统距离分辨率限制。利用低带宽光强调制器，可采用宽脉宽脉冲激光光源、低带宽光电探测器、低带宽A/D转换器、以及小容量数据存储器实现超分辨率全波形激光雷达信号采集。

附图说明

图1为传统的的激光雷达系统构成及原理框图；

图2为已有的采用压缩感知方法的激光雷达系统构成及原理框图；

图3为本发明方法系统构成及原理框图；

图4为本发明所述系统的模块构成框图；

图5为本发明所述系统中时域超分辨示意图；其中图a为激光脉冲信号，图b为经过不同时延后的回波信号，图c为EOM调制信号与回波信号；

图6为本发明所述系统实施例回复信号示意图。

其中，1—窄脉冲激光、2—高带宽光电探测器、3—高带宽A/D转换器、4—大容量存储器、5—三维场景、6—连续光源、7—高带宽电光调制器、8—低带宽光电探测器、9—低带宽A/D转换器、10—小容量存储器、11—宽脉冲激光、12—分束装置、13—低带宽电光调制器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

一种时域超分辨压缩感知全波形激光雷达测距方法，如图4所示，具体步骤如下：

步骤一、时域超分辨压缩感知全波形激光雷达采用宽脉宽脉冲激光作为系统光源；单个激光脉冲经目标场景反射后，目标场景在距离上的信息加载在回波信号R(t)上。

步骤二、回波信号R(t)到达接收端经过分束，其中每束回波光束通过长度不同的自由空间路径L₁，L₂，…，L_k或不同介质后成为回波信号R₁(t)，R₂(t)，…，R_K(t)，在时间上各回波有不同延时；每一束回波信号再经过一个低带宽电光调制器(EOM)进行光强调制，得到调制后的回波信号；

步骤三、调制后的回波信号经过低带宽探测器完成光信号到电信号的转换。

步骤四、转换后的信号经过随机选取，部分信号存储至存储器，再经过恢复算法实现原始全波形激光雷达信号的恢复。

一种时域超分辨压缩感知全波形激光雷达测距装置，如图3所示，包括：宽脉冲激光11、分束装置12、低带宽电光调制器13、低带宽光电探测器8、A/D转换器9和存储器10

宽脉冲激光11照射到目标场景5，激光经目标场景反射后被分束装置12分成多束；分束后的每束激光被各自的低带宽电光调制器13解调后，传输给各自的低带宽光电探测器8，将光信号转换为电信号；电信号再经过A/D转换器9转换成数字信号；转换后的信号经过随机选取，部分信号存储至存储器10；

如图4所示，所述系统包括脉冲光源发射模块、回波信号接收调制模块、数据采集存储模块、数据处理模块、和控制模块。

其中，所述脉冲光源发射模块采用宽脉宽激光光源周期性发射激光脉冲照射目标场景。激光脉冲的重复周期大于脉冲往返于光源、目标、和探测器之间所需时间。此外，光源发出的光束需经过准直用于目标照射。

所述信号接收调制模块包括回波信号分束装置和电光调制部分。自目标场景反射回的回波到达接收端后，经过分束装置分为K束。每束信号经过不同距离的自由空间、不同长度的介质、或者不同介质产生不同时延。然后每束信号再经过EOM进行强度调制。调制后信号送入数据采集存储模块。

所述数据采集存储模块包括光电探测器、A/D转换器、随机信号发生部分、和数据存储部分。由EOM调制后的各束光信号经过低带宽探测器实现光信号到电信号的转换，然后经过低带宽A/D转换器转换为数字信号。随机信号发生器产生随机序列，用于选取部分经A/D转换后的数字信号，存储至存储器中。

所述数据处理模块将存储器中测量值通过恢复算法实现全波形激光雷达信号的恢复。

所述数据控制模块控制脉冲激光光源，产生EOM的调制信号从而调制EOM的输入信号即目标回波信号，同时控制信号采集存储模块中的随机信号发生器产生随机序列用以选取部分回波信号进行存储，此外控制数据处理模块对恢复算法进行控制。

上述装置的具体工作过程如下：

首先，如图5(a)所示，脉冲激光发射一个宽脉宽激光脉冲S₀(t)。该脉冲遇到目标后反射，反射所得信号为激光脉冲S₀(t)与原始目标信号P₀(t)的卷积，其中P₀(t)代表目标在某一位置不同距离上的反射率。距离近的反射出现在t小的时刻，距离远的反射出现在t大的时刻。如果用向量P₀(N×1)表示P₀(t)，这一卷积过程可以表述为矩阵S₀(N×N)与P₀的乘积。以S₀(t)仅在t＝1，2，3，4的位置上有数值为例，则回波信号的矩阵相乘表述如下，

其次，目标反射回波到达接收端，经过分束装置分束。每一束回波经过不同距离或不同介质传输后产生不同时间延迟如图5(b)所示。其中，R₁(t)，R₂(t)，…，R_K(t)为K束时延后的回波信号。R_i(t)和R_i+1(t)之间的时间延迟为(t_i+1-t_i)，i＝{1,2,…,K}。这一时间延迟小于Δt＝max{Δt_pul，Δt_EOM，Δt_det，Δt_A/D}。以上式为例，假定Δt代表上式中的4个单位时间间隔，而最小时延为一个单位时间间隔。如果有3束时延后回波分别从R₀(t)向后延时1、2、3个单位时间间隔，那么这三束回波可表示为R₁＝[0R₀(1)R₀(2)R₀(3)…R₀(N-1)]^T，R₂＝[00R₀(1)R₀(2)…R₀(N-2)]^T，和R₃＝[000R₀(1)…R₀(N-3)]^T。此外，如果定义相邻两束回波信号R_i(t)和R_i+1(t)之间的最小时延为Δt/M(M可大于K)，那么采用本发明的方法，系统的距离分辨率为Δt/M×c/2。相较于传统系统，距离分辨率提高了M倍。而与已有采用压缩感知方法的系统比较，本方法对光源的脉宽和EOM的带宽要求都降低了M倍。

第三，经过分束时延后的回波信号送入EOM中进行强度调制如图5(c)所示。图中阴影部分为强度调制信号。EOM的输出信号为调制信号w_i(t)与回波信号R_i(t)的乘积。该信号经过光电探测器后，实现在时间段Δt_det内的积分，并经A/D转换器以及随机序列发生器选择记录为一个测量值。如果Δt_det＝Δt并且M＝4，那么一个测量值可表述为

其中D_i,j为第i束回波经调制后第j个采样值，R_i(n)为第i束回波信号在一个Δt时间间隔内的4个数值。如果不经过随机选取，第i束回波的采样值可表示为

对采样值随机选取，并将K束回波信号均表述为如上形式，则可得系统的测量值表述形式如下，

D＝WR (4)

其中，D(L×1)，W(L×N)，R(N×1)分别代表系统的低带宽测量值，使用低带宽EOM、光电探测器、A/D、及系统随机选取部分共同作用而产生的测量矩阵，和原始回波的高分辨率距离信号。

第四，将式(1)和(4)结合，可得系统的最终测量值表述是如下，

D＝WR＝WSP₀＝HP₀。 (5)

最后，利用式(5)恢复高分辨率的全波形激光雷达信号可通过逆成像信号恢复算法，如快速的线性Bregman算法。图6所示为一次信号恢复实例，其中光源脉宽为4ns，强度调制器、A/D、及探测器带宽均为250MHz，如不采用本发明方法，则系统距离分辨率为0.6m，而采用本发明方法恢复所得全波形激光雷达信号分辨率为0.15m，分辨率提高了M＝4倍。另一方面，如果采用传统的全波形激光雷达方法实现0.15m的分辨率，系统需要1ns脉宽激光器、1GHz的A/D、探测器、以及至少存储空间4倍的存储器，整个系统成本是本发明方法成本的10倍以上；如果采用已有的压缩感知激光雷达方法实现0.15m的分辨率，系统需要1GHz的电光调制器(包括用于控制EOM的脉冲发生器)，整个系统成本是本发明方法成本的数倍以上。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种时域超分辨压缩感知全波形激光雷达测距方法，其特征在于：具体步骤如下：

步骤一、时域超分辨压缩感知全波形激光雷达采用宽脉宽脉冲激光作为系统光源；单个激光脉冲经目标场景反射后，目标场景在距离上的信息加载在回波信号R(t)上；

步骤二、回波信号R(t)到达接收端经过分束，其中每束回波光束通过长度不同的自由空间路径L₁，L₂，…，L_k或不同介质后成为回波信号R₁(t)，R₂(t)，…，R_K(t)，在时间上各回波有不同延时；每一束回波信号再经过耦合装置进入一个低带宽电光调制器进行光强调制，得到调制后的回波信号；调制后的信号采用低带宽数据采集设备进行数据采集，但不影响经过目标恢复算法处理后的最终恢复效果；

步骤三、调制后的回波信号经过低带宽探测器完成光信号到电信号的转换；

步骤四、转换后的电信号经过随机选取，部分电信号存储至存储器，再经过恢复算法实现原始全波形激光雷达信号的恢复。

2.如权利要求1所述的一种时域超分辨压缩感知全波形激光雷达测距方法，其特征在于：在对所述回波信号进行低带宽电光调制和采用低带宽光电探测器及A/D转换器采集回波信号的基础上，随机选取部分数字化后的回波信号进行存储，这种采用压缩感知的全波形激光雷达能够解决系统对光电探测器及A/D转换器超高带宽的要求。

3.如权利要求1所述的一种时域超分辨压缩感知全波形激光雷达测距方法，其特征在于：所述目标场景反射所得的回波信号在接收端，经过分束装置分为多束，其中每束回波光束通过长度不同的自由空间路径L₁，L₂，…，L_k或不同介质后，再经过耦合装置进入各自的低带宽电光调制器实现信号调制；L_i与L_j(i，j∈{1,…k}并且i≠j)之间的差别小于Δt_EOM×c/2、Δt_det×c/2、Δt_A/D×c/2、以及Δt_pul×c/2；其中，Δt_EOM为低带宽EOM的调制脉宽定义时间间隔，Δt_det为光电探测器带宽定义的采样间隔，Δt_A/D为A/D转换器采样间隔，Δt_pul为光源的脉冲脉宽；c为为真空光速。

4.实现如权利要求1所述的一种时域超分辨压缩感知全波形激光雷达测距方法的装置，其特征在于：包括：低带宽光电探测器(8)、低带宽A/D转换器(9)、小容量存储器(10)、宽脉冲激光(11)、分束装置(12)、低带宽电光调制器(13)；

宽脉冲激光(11)照射到目标三维场景(5)，激光经目标场景反射后被分束装置(12)分成多束；分束后的每束激光被各自的低带宽电光调制器(13)解调后，传输给各自的低带宽光电探测器(8)，将光信号转换为电信号；电信号再经过A/D转换器(9)转换成数字信号；转换后的信号经过随机选取，部分信号存储至存储器(10)。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于：还包括数据处理模块；所述数据处理模块，采用目标恢复算法从存储的随机信号中恢复原始的全波形激光雷达信号。

6.如权利要求4所述的装置，其特征在于：还包括控制模块；所述控制模块，对脉冲光源模块、回波信号接受调制模块中的光强调制器、数据采集存储模块中的随机存储部分、以及数据处理模块进行控制。