CN109581410B - 一种基于压缩感知的条纹管激光成像系统 - Google Patents

一种基于压缩感知的条纹管激光成像系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种新型的基于压缩感知的条纹管激光成像系统，属于光电成像领域。包括控制器、脉冲激光器、发射光学系统、接收光学系统、数字微镜阵列、汇聚光学系统、光纤转轮、光纤束、条纹管、显示器和处理器；其中，回波信号被数字微镜阵列产生的伪随机二值模型反射，经接收光学系统聚焦于光纤转轮。光纤转轮通过匀速旋转实现了根据距离值对回波信号的平均切片，条纹管对切片信号分别成像，并通过重建算法分别进行重建。本发明利用光纤转轮的物理旋转将密集的有效信息转变成更为稀疏的信息，缩短了数据获取时间，实现了复杂场景的高分辨成像。

Description

一种基于压缩感知的条纹管激光成像系统
技术领域
本公开涉及一种基于压缩感知的条纹管激光成像系统，属于光电成像领域。
背景技术
激光雷达是一种将雷达探测技术与激光技术相结合的电子探测设备，其通过激光信号的发射与接收处理来探测目标的位置和形状，可同时获得目标的距离信息与强度信息。与传统微波雷达相比，激光雷达具有更高的分辨能力和更强的抗干扰能力，在军事、通信、医疗等多个领域具有广泛的应用前景。条纹管成像激光雷达是激光雷达的一种，其利用条纹管内的偏转电压将时间信息转换成空间信息，然后通过条纹像空间距离差值得到目标距离信息，通过条纹像亮度得到目标强度信息。压缩感知理论旨在通过对稀疏图像进行有效压缩以减少探测次数，再通过求解线性方程从少量随机的测量中对图像恢复高精度的重建。近年来，激光雷达的发展趋势主要向复杂场景的高分辨成像方向发展。要实现高分辨成像，对于扫描激光雷达来说，需要更长的扫描时间；而对于非扫描激光雷达来说，如果采用提高探测器阵列中探测器个数的方式，则系统成本和复杂度会大大增加。基于压缩感知的条纹管激光成像系统使用数字微镜阵列(Digital Micromirror Device,DMD)来执行图像线性投影到伪随机二进制模式的光学计算。数字微镜阵列由细菌大小的静电微镜阵列组成的光电器件，每个镜子可围绕铰链旋转成两种不同状态以将投射来的光反射到两个不同方向。由于数字微镜阵列的维数就是图像的分辨率，而一个数字微镜阵列可含有最多数字微镜阵列万个独立控制的微镜。因此该系统在不增加测量时间和成本的前提下，使高分辨成像成为可能。压缩感知理论的基础条件要求目标信号在某种表达方式中是稀疏可压缩的，然而在探测视场中，有效信息(即目标信息)的占有率往往大于无效信息(即背景信息)，且目标信息通常是密集且集中的，压缩空间较小，无法有效减少探测次数。因此，如何将目标信息稀疏采样成为研究基于压缩感知的条纹管激光成像系统的关键。
在此之前，将条纹管与压缩感知相结合探测成像的文献较少。其中有将多个数字微镜阵列组成数字微镜阵列阵列，将多条光纤组成光纤传像束，对目标进行分区域的并行探测。这种方法虽能有效降低探测时间，但仍无法解决目标信息稀疏采样的问题，探测复杂目标情况下有效信息区域高质量成像所需的探测次数接近于逐点扫描成像，使得压缩感知的采用毫无意义。之后有人在此基础上作出改进，对于目标信息集中的部分采用高分辨率探测，而对背景图像采用低分辨率探测。这种方式虽然能有效增强目标的稀疏性，但默认前提条件为目标物位于图像正中心，对于未知位置的目标，分辨率无法做出自适应改变。本公开涉及一套基于压缩感知的条纹管激光成像系统，并利用光纤转轮将雷达图像按距离值切片为三份稀疏图像，处理器根据重建算法和图像融合算法对三幅稀疏图像进行并行高分辨重建与融合，即可得到高分辨雷达目标图像。其优势在于通过距离值切片的方式将密集且集中的有效信息转变成更为稀疏的信息，不仅有效缩短了数据获取时间，实现了复杂场景的高分辨成像，还简化了硬件成像系统，降低了成像成本。
发明内容
本公开的目的是解决压基于压缩感知的条纹管激光雷达系统对于密集的有效回波信号压缩能力较差的问题，提出一种基于压缩感知的条纹管激光成像系统。
本公开是通过以下技术方案实现的。
本公开提出一种基于压缩感知的条纹管激光成像系统。包括控制器、脉冲激光器、发射光学系统、接收光学系统、数字微镜阵列、汇聚光学系统、光纤束、条纹管、显示器和处理器。
所述的控制器有三个输出端口，分别与脉冲激光器、数字微镜阵列及光纤转轮相连。其通过脉冲信号分别控制脉冲激光器的发射、数字微镜阵列的反射镜变化和光纤转轮的变换速度。
所述的脉冲激光器可以在接收到来自于控制器的脉冲控制信号后发射纳秒级别的脉冲激光束；
所述的发射光学系统是由两个不同曲率的柱面镜组成的光学系统，可以调整发射激光束水平和垂直方向的发散角。
所述的接收光学系统是一个多镜片光学系统，可以将目标以合适的大小在数字微镜阵列上成像。
所述的数字微镜阵列是一种由多个微小的倾斜反射镜组成的空间光调制器，可以对图像在伪随机二值模型上完成线性投影光学计算并将该二值模型传入处理器中。
所述的汇聚光学系统是一个凸透镜光学系统，可以将经数字微镜阵列反射的图像聚焦于光纤束的端面上。
所述的光纤转轮是一个可旋转的光纤固定装置，可以将光纤端面固定并按照设定的速度和方向旋转。
所述的光纤束由多模光纤组成，可以将经数字微镜阵列反射的图像传入条纹管的狭缝中。
所述的条纹管是单狭缝条纹管，其光电阴极响应的峰值波长在脉冲激光器的发射波长附近。
所述的显示器是CCD相机，可以拍摄到条纹管荧光屏上的条纹像并传入处理器。
所述的处理器是计算机，可以根据得到的伪随机二值模型和条纹像运用重构算法和图像融合算法计算得到目标的距离像和强度像。
工作过程为：脉冲激光器在接收到来自控制器的控制信号后发射脉冲激光束，经发射光学系统扩束、整形后覆盖整个目标。一部分被目标反射的回波信号经接收光学系统成像于数字微镜阵列。控制器在控制脉冲激光器发射脉冲激光束的同时，也向数字微镜阵列发送控制信号，使其产生伪随机二值模型。回波脉冲信号被产生的伪随机二值模型反射后，经汇聚光学系统聚焦到光纤转轮上。控制器控制光纤转轮在回波信号到达时开始匀速旋转，并在回波信号全部通过时正好旋转一周，由此可将回波信号按目标的距离值平均分为三组。三组信号通过三个光纤束分别进入条纹管狭缝中，轰击光电阴极产生电子束。电子束通过条纹管内部加有扫描电压的偏转板，在电场力的作用下加速偏转打在荧光屏上，形成具有三条条纹的条纹像。显示器拍摄条纹像的位置与强度并上传到处理器，最终处理器根据条纹像和伪随机二值模型通过重建算法和图像融合算法计算得到目标大像素数目、高分辨率距离像和强度像。
有益效果
本公开利用光纤转轮密集且集中的目标图像按距离值切片为三幅稀疏图像，利用压缩感知理论和条纹管实现了复杂背景下的大像素数目高分辨成像，缩短了数据获取时间，简化了硬件系统，降低了成像成本。
附图说明
图1为实施例中一种基于压缩感知的条纹管激光成像系统结构图。
其中1-控制器，2-脉冲激光器，3-发射光学系统，4-接收光学系统，5-数字微镜阵列，6-汇聚光学系统，7-光纤转轮，8-光纤束，9-条纹管，10-显示器，11-处理器。
图2为实施例一中光纤转轮结构示意图
具体实施方式
下面结合附图对本公开进一步说明。
实施例一
一种基于压缩感知的条纹管激光成像系统。如图1所示。该系统包括：控制器(1)、脉冲激光器(2)、发射光学系统(3)、接收光学系统(4)、数字微镜阵列(5)、汇聚光学系统(6)、光纤转轮(7)、光纤束(8)、条纹管(9)、显示器(10)和处理器(11)；
所述控制器(1)是一个FPGA开发板，至少具有三个输出端口输出数字脉冲信号，脉冲信号低电平为0V，高电平为3.3V，分别连接脉冲激光器(2)、数字微镜阵列(5)、光纤转轮(7)；
所述的脉冲激光器(2)是一款发射波长为532nm的绿光固体激光器，输出功率10W，可通过TTL外部调制器控制光脉冲宽度和发射频率；
所述发射光学系统(3)是由两个不同曲率的柱面镜组成的整形扩束系统，镜头表面镀有532nm的增透膜；
所述接收光学系统(4)是由多镜片组成的凸透镜系统，每片镜头表面均镀有532nm的增透膜；
所述数字微镜阵列(5)是一个由多个倾斜反射镜组成的空间光调制器，可拥有最多200万片铝制微型镜片，每片镜片可受控地围绕铰链旋转为水平+10°或-10°，将落在其上的光向两个不同方向反射；
所述汇聚光学系统(6)是由一片凸透镜组成的凸透镜系统，镜头表面镀有532nm的增透膜；
所述光纤转轮(7)是一个具有三个光纤束接口的可旋转光纤固定装置，可固定三个光纤束并根据控制器的指令按照固定方向和速度旋转；
所述光纤束(8)是三个等长的多模光纤束，纤芯直径105um，包层直径125um；
所述条纹管(9)是单狭缝条纹管，响应波段为可见光，多模光纤的一端以等间隔固定在狭缝上，偏转板间扫描电压随时间变化而线性变化，具有很高的时间分辨率；
所述显示器(10)是CCD相机，可感应条纹管荧光屏上的光斑得到条纹像；
所述处理器(11)为一台图形处理工作站，配备有英特尔第八代6核处理器，32GB内存和GTX1080Ti独立显卡；
工作过程
脉冲激光器(2)在接收到来自控制器(1)的数字触发信号后发射波长532nm、脉宽10ns的脉冲激光束，经发射光学系统(3)扩束、整形后覆盖整个目标。一部分被目标反射的回波信号通过接收光学系统(4)以合适的大小成像于数字微镜阵列(5)。控制器(1)在控制脉冲激光器(2)发射脉冲激光束的同时，也向数字微镜阵列(5)发送控制信号，使其产生伪随机二值模型。回波脉冲信号被伪随机二值模型反射后变为随机图像，经汇聚光学系统(6)聚焦到光纤转轮(7)上。控制器(1)控制光纤转轮(7)在回波信号到达时开始匀速旋转，并在回波信号全部通过时正好旋转一周，由此可将回波信号按目标的距离值平均分为三组。三组信号通过三个光纤束(8)分别进入条纹管(9)狭缝中，轰击光电阴极产生电子束。电子束通过条纹管内部加有扫描电压的偏转板，在电场力的作用下加速偏转打在荧光屏上，形成三条条纹像。显示器(10)采集并实时显示条纹像的位置与强度上传到处理器(11)，最终处理器(11)根据条纹像和伪随机二值模型通过重建算法和图像融合算法计算得到目标高像素距离像和强度像。
工作原理
压缩感知是一种信号处理理论，它将采样和压缩结合成一个单一的非自适应线性测量的过程。如果高维信号是稀疏的或者满足可在变换域中稀疏，则可利用测量矩阵将其投影到低维空间。通过对该投影的求解优化就可以重建具有高像素的原始信号。压缩感知理论重建图像主要包括稀疏分解、测量矩阵和重建算法三部分。其中稀疏分解要求原始信号具有稀疏性，并满足测量次数M与稀疏度K的关系为M≥O(Klog(N/K))。当有效信息所占比例越多，K越接近维数N，测量次数M≥N，相当于测量次数甚至会大于逐点扫描成像次数，使得压缩感知毫无意义。本系统利用光纤转轮将回波信号切片为三幅稀疏图像，在不增加测量次数的前提下，增强原始信号的稀疏度。测量矩阵要求测量采用的观测矩阵中的列向量构成的矩阵是非奇异的，可通过数字微镜阵列实现。重建算法主要包含贪婪算法和凸优化算法两大类，通过重建算法可最终计算出原始信号高像素切片图像。
图2为设计光纤转轮正视图，可固定三个光纤束。中心为旋转轴，可在控制之下以固定速度按顺时针或逆时针方向旋转。回波信号经接收光学系统聚焦在图中光纤之间的相切点，灰色虚线为转轮旋转时回波信号的轨迹。沿此轨迹，回波信号始终聚焦于三个光纤束之中，不会发生漏光。转轮在回波信号抵达时开始旋转，将不同时间返回的信号平均分入三个等长的光纤束。例如，目标距系统的最远距离为S3，最近距离为S0，被分入三个光纤束的信号距离值区间分别为S3～S2，S2～S1和S1～S0，且S3-S2＝S2-S1＝S1-S0。通过光纤束，三个距离切片信号被分别传入条纹管中，并最终在条纹管荧光屏上产生三条条纹。
条纹管的工作原理为，经光纤传输的回波信号透过狭缝照射到条纹管光电阴极上，光电阴极在激光照射下会发射光电子，其瞬态发射密度与回波信号强度成正比，即逸出光电子的数量是对入射光能量分布的复制。这些电子经加速作用入射到电偏转系统，偏转系统可以看成平行电容板，其上有随时间变化而线性变化的扫描电压，不同时刻入射到偏转系统的光电子受到的电场力不同，因此在与狭缝垂直方向上的偏转距离也不同。根据荧光屏上条纹的偏转距离可分辨出目标的距离信息，而根据条纹的灰度信息可得到目标的强度信息。

Claims (3)

1.一种基于压缩感知的条纹管激光成像系统，该系统包括控制器、脉冲激光器、发射光学系统、接收光学系统、数字微镜阵列、汇聚光学系统、光纤束、条纹管、显示器和处理器，其特征在于还包含有光纤转轮；它们的连接顺序是光纤转轮接光纤束接条纹管狭缝；它们的连接方式是光纤转轮的三个接口一对一嵌入三个光纤束，三个光纤束等间隔固定在条纹管狭缝上；光纤转轮具有可控的旋转速度和旋转方向，可在有效信息抵达的同时开始旋转，并在有效信息完全通过时正好旋转一周，光纤转轮可嵌入三个光纤束，通过旋转将有效信息按距离值切片，并由三个光纤束传入条纹管中，通过每束光纤的回波信号在条纹管荧光屏上各应一条与狭缝方向垂直的条纹，利用重建算法对条纹像位置与亮度进行重建分别得到三幅距离切片图像和强度切片图像，将三幅切片图像通过图像融合算法进行融合，最终可得大像素数目、高分辨率的距离像和强度像；
具体实施步骤为：脉冲激光器在接收到来自控制器的控制信号后发射脉冲激光束，经发射光学系统扩束、整形后覆盖整个目标，一部分被目标反射的回波信号经接收光学系统成像于数字微镜阵列，控制器在控制脉冲激光器发射脉冲激光束的同时，也向数字微镜阵列发送控制信号，使其产生伪随机二值模型，回波脉冲信号被产生的伪随机二值模型反射后，经汇聚光学系统聚焦到光纤转轮上，控制器控制光纤转轮在回波信号到达时开始匀速旋转，并在回波信号全部通过时正好旋转一周，由此可将回波信号按目标的距离值切片分为三组，三组信号通过光纤束分别进入条纹管狭缝中，轰击光电阴极产生电子束，电子束通过条纹管内部加有扫描电压的偏转板，在电场力的作用下加速偏转打在荧光屏上，形成具有三条条纹的条纹像，显示器拍摄条纹像的位置与强度并上传到处理器，最终处理器根据条纹像和伪随机二值模型通过重建算法和图像融合算法计算得到目标大像素数目、高分辨率距离像和强度像。
2.根据权利要求1所述的一种基于压缩感知的条纹管激光成像系统，其特征为：光纤转轮利用回波信号返回时间的不同，通过旋转将不同时间段返回的信号分入三个光纤束，并最终成像在条纹管荧光屏的不同位置，以达到对密集图像信息稀疏采样的目的，是在非扫描方式下形成的一种形式上的扫描成像。
3.根据权利要求1所述的一种基于压缩感知的条纹管激光成像系统，其特征为：回波信号按距离值被切片成三份，目标距系统的最远距离为S3，最近距离为S0，三份切片即为S3～S2，S2～S1和S1～S0，且S3-S2＝S2-S1＝S1-S0，这些切片由光纤转轮实现并通过重建算法分别进行重建，其中距离像的重建是根据条纹管荧光屏上点的偏转距离，三条条纹可分别重建出三幅稀疏距离像，每幅距离像的距离值属于不同距离范围。
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