壓縮掃描雷射雷達的製作方法

2023-05-01 20:38:01

本申請要求申請號為14/317,753、申請日為2014年6月27日的美國專利申請的權益和優先權，其全部內容以引用方式結合於此。

本申請要求申請號為14/317,695、申請日為2014年6月27日的美國專利申請的權益和優先權，其全部內容以引用方式結合於此。

關於聯邦資助聲明

無

技術領域

本公開涉及光探測和測距(LIDAR或雷射雷達)，尤其涉及掃描雷射雷達。

背景技術：

現有實時雷射雷達系統一般包括兩類。第一類由大型昂貴的機械掃描雷達系統(比如Velodyne-64,售自Velodyne Lidar公司)構成。

這樣的機械掃描雷達系統採用大型旋轉鏡來掃描多個雷射束並採用反射雷射脈衝的飛行探測時間來測量沿不同波束方向的各光斑的距離(range)。第二類由閃光雷射雷達構成，其藉助各個脈衝照射整個場景並使用時間閘控(time-gated)光電二極體陣列來使反射光成像和測量各像素的距離。

旋轉鏡雷射雷達系統龐大、笨重且功率消耗大，並在高度方向的角度解析度低，從而受到雷射束的數量的限制，例如，受限於Velodyne-64雷射雷達中的64道光束的限制。方位解析度受到雷射光斑尺寸的限制。閃光雷射雷達系統測距受限，因為雷射脈衝功率在整個場景傳播，這大大減少了被物體反射以及被探測器孔捕捉的功率的量。此外，閃光雷射雷達角度解析度和視場受到探測器陣列中的時間閘控光電二極體的數量的限制。

需要的是一種在尺寸、重量以及功率(SWAP)方面改善的雷射雷達，其具有改善的視場(FOV)、距離解析度以及角度解析度。還需要一種能採用可變解析度使三維場景的不同部分成像的雷射雷達，從而可對最顯著或最重要的興趣區域進行高角度解析度的成像並同時保持高幀率以及低計算負荷。本公開的實施例解決了這些需求以及其它需求。

技術實現要素：

在此公開的第一實施例中，提供了一種用於增加由來自照射光斑的接收光形成的圖像的解析度的方法，包括：測量測量核A1至AM的y向量，其中M為所述測量核的數量，測量所述y向量包括：使用所述測量核A1至AM中的第j個測量核Aj對位於接收的反射場景光斑的返迴路徑中的可編程的N像素微鏡或掩模進行編程；測量y，其中y為針對各距離單元(range bin)ri的景物反射率f(α,β)與所述測量核Aj的內積，其中α和β分別為方位角和高度角；重複對所述可編程的N像素微鏡或掩模進行編程並測量各測量核A1至AM的y；以及使用測得的所述y向量形成重建圖像，其中形成所述重建圖像包括使用壓縮傳感或Moore-Penrose重建。

在此公開的另一實施例中，提供了一種雷達雷射系統，包括：具有功率φo的發射光束的脈衝頻率調製雷射器；光學耦合於所述雷射器的微鏡，用於掃描橫穿場景的發射光束，從而在所述場景中照射光斑；光電二極體探測器；耦合於所述光電二極體探測器並具有功率φ1o的部分所述發射光束；以及在從照射光斑反射的接收光的光路中的可編程的N像素鏡或掩模陣列，所述可編程的N像素鏡或掩模陣列光學耦合於所述光電二極體探測器。

在此公開的另一實施中，提供了一種雷射雷達，包括用於掃描場景和在所述場景中照射光斑的掃描雷射器；用於探測從所述場景反射的接收光的光電二極體探測器；在反射的接收光的光路中的可編程的N像素鏡或掩模陣列，所述可編程的N像素鏡或掩模陣列光學耦合於所述光電二極體探測器；以及用於形成重建圖像的工具，所述形成重建圖像包括壓縮傳感或Moore-Penrose重建。

通過下述詳細說明和附圖，這些以及其它特徵和優點將變得更加明顯。在附圖和說明書中的標記指代各種特徵，相同標記指代所有附圖和說明書中相同特徵。

附圖說明

圖1示出了根據(L&P 628659-9)的掃描雷射雷達，其中角度解析度受到雷射光斑散度的限制；

圖2示出了根據本公開的掃描雷射雷達，其中通過使用壓縮傳感使角度解析度提高N倍；

圖3示出了根據本公開的壓縮傳感掃描雷射雷達架構；

圖4示出了根據本公開的形成場景光斑和測量核的內積的過程。

圖5A示出了發射的雷射束和接收的反射場景光斑的頻率，圖5B示出了根據本公開的與接收的反射場景相應的發射雷射束差拍(beat)的差拍頻率(beat frequency)；以及

圖6示出了根據本公開的3D場景幀的重建的處理流程。

具體實施方式

下述描述中，大量具體細節用於清楚描述在此公開的各實施例。本領域技術人員將理解到：所要求保護的發明的實施可以不必使用所有以下具體細節。在其它實例中，為了不使本發明晦澀難懂，對於公知的特徵沒有進行描述。

本公開為小型和低成本的實時雷射雷達傳感系統，其利用了掃描雷射束、可編程的微鏡陣列、使用單個光電二極體進行探測並使用壓縮傳感方法來感應場景的3D表達並具有大視場以及不受雷射光斑尺寸限制的角度解析度。通過將成像光斑劃分成多個區域從而也可使用多個光電二極體，並且每個區域使用一個光電二極體從而通過並行計算來加速處理。

該方法也可使用可變的角度解析度使3D場景的不同部分成像，從而實現最顯著或重要的感興趣區域的高解析度成像並同時保持高幀率和低計算負荷。

壓縮傳感已被Richard.Baraniuk在「Compressive Sensing」描述，見2007年7月份的IEEE信號處理雜誌第118-120頁和第124頁，其全部內容如附錄A所示結合於此(從本說明書的第17頁開始)。

根據本公開的雷射雷達的SWAP和成本比現有旋轉鏡系統要小得多並且角度解析度和視場比現有基於成像探測器陣列的閃光雷射雷達系統要大得多。解析度也可以與場景中的不同的感興趣區域相適應，從而大大增加了系統的光學效率和計算效率。

本公開的壓縮傳感雷射雷達兼具機械掃描鏡系統的光效率和大視場並在方位、高度以及距離三個維度上都具有3D場景的高解析度重建，並且全部實現在基於微鏡陣列技術和壓縮傳感重建方法的緊湊且低成本的封裝內。通過使用頻率調製連續波(FMCW)調製以及使用結合了壓縮傳感重建算法的單個光電二極體的外差探測，可以感測3D場景且角度解析度不受雷射光斑尺寸或探測器元件的數量的限制。

申請序列號為14/317,695、申請日為2014年6月27日的美國專利申請(其全文以引用的方式結合於此)描述了一種微電機械系統(MEMS)微鏡掃描雷射雷達系統，其作為現有實時雷射雷達系統的一種低沉本和低SWAP的替代。該掃描雷射雷達系統的操作如圖1所示。該系統利用掃描雷射器12、雷射器的頻率調製連續波(FMCW)調製、

單個光電二極體14以及FMCW調製的相干探測16來測量目標的各個3D(三維)分辨單元的距離。使用雙軸微鏡在方位和高度上同步掃描傳輸的雷射脈衝以及接收器孔隙，從而使信噪比(SNR)最大化。如圖1所示，MEMS掃描鏡系統的角度解析度受到雷射光斑散度的限制。對於0.2度的典型雷射散度18來說，在距離50m處將產生直徑20cm的光斑20。雖然這足以檢測行人的物體尺寸大小，例如物體識別之類的許多應用需要在較大距離位置具有更高的解析度。

圖2示出了根據本公開的使用壓縮傳感的掃描雷射器。在接收器孔隙中使用可編程的N鏡MEMS鏡陣列或可編程的N像素掩模(mask)26，從而使用如圖1所描述的相同基本結構來執行壓縮測量。N鏡MEMS鏡陣列或可編程的N像素掩模26可作為MEMS而實施。通過利用非線性壓縮傳感重建方法，在可分辨的方位角和高度角的數量上可使角度解析度提高N倍。可編程的微鏡陣列26可以為N像素微鏡陣列，比如TexasInstrument公司製造的數字微鏡裝置(DMD)。

圖3示出了根據本公開的壓縮傳感掃描雷射雷達結構。雷射器12由啁啾雷射脈衝信號30的頻率的線性啁啾來調製。具有功率φo的發射光束可從鏡32反射至雙軸微鏡34，從而掃描穿過(across)場景的發射光束36。具有功率φ1o的光束38的一部分與來自場景的反光在光電二極體探測器14混合用以進行相干探測。來自雷射器12的光，可如圖2所示，具有0.2度的波束寬度，在場景上照射一個小光斑。來自場景的反射40被可為微電子機械系統(MEMS)的接收器可編程的N像素鏡陣列42或為可編程的N像素掩模42定向至透鏡44，從而將光斑聚焦到光電二極體14上。接收器可編程的N像素鏡或掩模陣列42與也可為微電子機械系統(MEMS)的雙軸微鏡34同步，用於將來自掃描光束36的反射40保持聚焦在光電二極體14上。

接收的反射雷射場景光斑40可由f(α,β)φo 40表示，如圖3和圖4所示，其中f(α,β)為被具有功率φo的發射雷射束36照射的場景的反射率，α和β分別為方位角和高度角。

接收的反射雷射場景光斑40在接收器可編程的鏡或掩模陣列42中乘以測量核Aj46，形成接收的反射雷射場景光斑和各個測量核Aj 46的積43，如圖4所示。測量核可以是二元的，意思是N像素微鏡或掩模42中的各像素可以設置為開啟(on)從而使光通過至光電二極體14，或者設置為關閉(off)從而阻擋像素光進入電二極體14。此處「開啟」和「關閉」對應於各個微鏡的不同傾斜角。二元的測量核Aj 46能通過對接收器可編程的鏡陣列42中的N個微鏡中的幾個進行編程來實現，從而將光傾斜偏離接收器透鏡孔隙44，或通過對N像素可編程的掩模編程來實施使得返回光的部分區域被掩住(masked)且掩模的部分區域對於返回光是透明的。

可使用接收器可編程的鏡或掩模陣列42中的各個鏡或掩模的時間調製來實現具有多值元素的測量核Aj 46。例如，像素可設置為開啟一時間段t1然後設置為關閉一時間段t2，然後通過光電二極體將結果整合來實現具有非二元值的測量核Aj 46。

光電二極體14執行Aj f(α,β)φo的空間整合，形成內積測量yφo48，如圖3和圖4所示，其中y為景物反射率f(α,β)與測量核Aj的內積，φo為輸出雷射功率。

光電二極體14輸出電流由下式給出：

其中，y為景物反射率f(α,β)與測量核Aj的內積，φo為輸出雷射功率；φ1o為本機振蕩器功率，ωb和φ分別為如圖5B所示的差拍頻率41、本機振蕩器頻率(即發射雷射束36的頻率)與返回光(即接收的反射場景光斑40)之間的相位差，S為二極體響應率，ib為二極體偏置電流，t為時間。

通過使用頻率調製連續波(FMCW)調製來調製發射的脈衝光束36，可確定測量核Aj的目標光斑分量的距離Ra、距離不確定度△Ra以及速度vt。圖5A示出了發射的雷射束36和接收的反射場景光斑40的頻率，圖5B示出了與接收接收的反射場景混合的發射雷射束的相應差拍頻率41。通過使用FMCW調製，FMCW相干探測50能使用下述方程式來確定目標光斑分量的參數，包括距離Ra、距離不確定度△Ra以及速度vt，其中f1為發射光束36的頻率，f2為接收的反射雷射場景光斑40的頻率，如圖5A所示。

其中Tmod為發射和處理每個FMCW調製雷射脈衝的循環時間，△f為發射光的最大頻移，如圖5A所示。

通過使用快速傅立葉變換(FFT)52進行傅立葉變換並提取出差拍頻率分量41的功率，如圖5B和圖3的流程塊54所示，對於每個距離單元ri可測量測量核Aj的y，其中y為景物反射率f(α,β)與測量核Aj的內積。

針對A1到AM的每個測量核重複該過程，其中M是測量核的數量。結果為測量向量y，可表示為：

y＝Af+ξ

其中f為設置成向量的景物反射率圖像，A為由不同測量核Aj 46的行向量組成的測量矩陣，ξ為加性噪聲。因為知道真實場景不是隨機的，與差拍頻率分量f其中之一相關的距離的反射率可分解成使用字典D和相應係數θ的稀疏表示：

f＝Dθ

f可重置成3D場景的距離切片f(α,β)，其中α和β為方位角和高度角。

對從目標照射和反射的光斑的重建可使用光斑的壓縮傳感重建56或者光斑的Moore-Penrose重建57來執行，如圖3所示。

如果做了M次測量且M小於N，其中N為在可編程的接收微鏡或掩模陣列42中的鏡或掩模的數量，以及如果θ在f＝Dθ中為充分稀疏的，那麼可使用壓縮傳感來重建使用L1範數(L1 norm)的f:

已經開發了壓縮傳感場的多種軟體工具來有效解決上述優化問題。這些工具的例子有Lasso、L1-MAGIC、Sparselab、SPAMS以及YALL1。

如果M大於或等於N，那麼可使用矩陣A的Moore-Penrose逆來重建f：

其中A+＝(AHA)-1AH

可預計算Moore-Penrose逆A+。使用Moore-Penrose逆的優點在於不需要稀疏性並且重建由簡單矩陣-向量相乘構成，並可非常快速的執行。缺點在於相比壓縮傳感需要多次測量。

重建的結果為光斑的3D重建60。每個距離切片58表示在特定距離處由FMCW相干探測50和FFT 52確定的光電二極體信號i(t)中的差拍頻率分量。重建的3D光斑的解析度和品質共同取決於N和M。因為在距離切片圖像中的重建像素的數量等於N，相比於解析度受限於雷射光斑尺寸的非壓縮系統，相對小的N和M值將很大倍數地增加解析度。

為了完成整個掃描場景的重建，發射光束36被掃描至場景中的相繼光斑，然後重建每個相繼光斑。

光斑的壓縮傳感和重建的處理過程的流程示意圖如圖6所示。在步驟100中，加載第一測量核，然後在步驟102中使用第一測量核A146對可編程的N像素微鏡或掩模42進行編程，用於對接收的反射場景光斑40進行第一次測量。接著在步驟104，針對各距離單元ri使用FMCW相干探測50、FFT處理52以及流程塊54來測量和提取景物反射率f(α,β)與測量核A1的內積y。然後針對各個測量核Aj對接收的反射場景光斑40重複進行步驟102和104，直至在步驟106確定已經使用了所有A1至AM的測量核測量並提取了y。

接下來在步驟108中重建3D光斑，如圖3中的3D光斑重建60所示。如果進行了M次測量且M小於N，其中N為可編程的N像素接收微鏡或掩模陣列42中的可編程的鏡或掩模42的數量，以及如果θ為充分稀疏，那麼使用壓縮傳感來執行步驟108，用以重建使用L1範數的f:

如果M大於或等於N，則使用矩陣A的Moore-Penrose逆來執行步驟108：

其中A+＝(AHA)-1AH

接著在步驟110，確定重建的光斑是否為最後的光斑位置。如果否，則重複執行步驟100、102、104、106和108進行下一光斑位置的測量。如果重建的光斑為最後的光斑位置，說明已經重建了雷射掃描3D場景圖像。

FMCW 50、FFT 52、提取y的測量54、壓縮傳感56、光斑的Moore-Penrose重建57、3D光斑重建60、可編程的微鏡或掩模陣列42的控制以及圖6所示過程的執行所需的計算和控制，以及本公開所需的任何其他計算或控制可由任意處理器提供，比如但不限於計算機、處理器、微處理器、微計算機或任何能夠執行計算和存儲計算結果的元件。

壓縮傳感掃描雷射雷達系統的優點包括相比於機械掃描雷射雷達系統具有更小的尺寸、重量和功率(SWAP)以及更低的成本。相比需要一次照射整個場景的閃光雷射雷達系統，壓縮傳感雷射雷達還具有更高的角度解析度、視場以及光學效率。在方位和高度上可分辨的光斑的數量增加N倍，其中N為接收器MEMS微鏡陣列或掩模陣列中的鏡或掩模的數量。甚至N值小的陣列也會很大倍地增加解析度並同時保持低的計算負荷。因為距離切片圖像被獨立地重建，可使用多核處理結構並行重建多個切片。而且，景物反射率和3D結構被同時測量以及自動記錄。

通過改變有效接收器微鏡或掩模解析度(N)和測量(M)的次數可使方位和高度角度解析度與場景的各個部分相適應，從而優化重要的感興趣區域的解析度並同時保持更新速率。例如可對可編程的微鏡或掩模陣列42進行編程使得N被減少從而獲得較低的解析度。可使用在寬視場的低解析度取樣上操作的算法來探測感興趣區域(ROIs)。然後可使用使更新速率保持在與低解析度取樣有關的較高值的較大N的高解析度對ROIs進行重新取樣或掃描，且在ROIs的識別上具有高解析度的優點。通過改變N和M而無需改變場景光斑掃描模式即可增加解析度。可使用合成解析度測量核在光斑之內實現可變解析度，從而進一步減少所需測量的次數。

現已根據專利法對本發明進行了描述，本領域的技術人員將理解如何對本發明進行改變和改進來滿足其具體需求或條件。這些改變和改進可以是在不偏離在此公開的本發明的範圍和精神的條件下做出的。

前述提供的示例和優選實施例的詳細描述為根據法律的要求進行示例說明和公開的目的。本意不在於窮盡也不意於使本發明局限於所描述的具體形式，而僅僅是為了使本領域的其他技術人員理解本發明是如何適用於特定用途和實施的目的。顯然本領域技術人員可進行修改和改變。示例性實施例的描述不意於進行限制，包括公差、特徵尺寸、具體操作條件、工程說明之類，其可在不同的實施之間變化或隨著現有技術的改變而改變，且也不暗含任何限制。申請人相對現有技術做出了本公開，並且考慮到其改進之處以及未來適用的可能性，也即相對於屆時的現有技術。本發明的範圍應由所寫的權利要求書以及適用的等同概念來定義。除非明確規定，在權利要求書中以單數形式提及某要素並非意指「一個和僅一個」。而且，本公開中沒有元素、分量、方法或工藝步驟意於貢獻給公眾，無論是否這些元素、分量、方法或工藝步驟是否有在權利要求書中被明確地引用。此處的權利要素不應理解為受到美國專利法35U.S.C.第112章的第6段的規定的限制，除非該要素在表述上使用「用於……方式」的形式，此處的方法或工藝步驟也不應理解為受到該規定的限制，除非單個步驟或多個步驟在表述上使用「包括……的步驟」的形式。

優選地是包括在此描述的所有要素、部件和步驟。顯然本領域技術人員應理解：這些要素、部件和步驟中的任一項可被其它要素、部件和步驟替代或者一起被刪除。

概念

本文至少公開了以下概念。

概念1.一種用於增加由來自照射光斑的接收光形成的圖像的解析度的方法，包括：

測量測量核A1至AM的y向量，其中M為所述測量核的數量，測量所述y向量包括：

使用所述測量核A1至AM中的第j個測量核Aj對位於接收的反射場景光斑的返迴路徑中的可編程的N像素微鏡或掩模進行編程；

測量y，其中y為針對各距離單元ri的景物反射率f(α,β)與所述測量核Aj的內積，其中α和β分別為方位角和高度角；

重複對所述可編程的N像素微鏡或掩模進行編程並測量各測量核A1至AM的y向量；以及

使用測得的所述y向量形成重建圖像，其中形成所述重建圖像包括使用壓縮傳感或Moore-Penrose重建。

概念2.概念1的所述方法，其中測量y包括：

使用具有頻率調製連續波FMCW調製的光源照射所述光斑：

使用FMCW相干探測；以及

使用傅立葉分析。

概念3.概念1或2的所述方法，其中形成重建圖像包括：

如果M小於N，並且如果θ為充分稀疏，則使用壓縮傳感採用L1範數來重建f：

其中，D包括字典D，θ包括相應係數。

概念4：概念1或2的所述方法，其中形成重建圖像包括：

如果M大於或等於N，使用矩陣A的Moore-Penrose逆來重建f

其中

概念5.概念1的所述方法，其中所述照射光斑由掃描雷射器照射，且其中所述方法還包括：

掃描所述雷射器；以及

為每個被所述雷射器照射的光斑重複形成重建圖像；

其中測量y還包括：

從所述掃描雷射器發射具有三角形頻率調製連續波FMCW的雷射束；

將所述發射的雷射束的一部分與所述接收光在光電二極體探測器混合從而進行相干探測；

其中所述掃描雷射器包括掃描微鏡；且

其中所述可編程的N像素微鏡與所述掃描微鏡同步從而保持所述接收光對焦在光電二極體探測器上。

概念6.概念1或2的所述方法還包括：

使用雷射器照射所述照射光斑；以及

使用光電二極體探測器探測所述接收光；

其中光電二極體輸出電流為：

其中y為景物反射率f(α,β)與測量核Aj的內積，φo為輸出雷射功率；φ1o為本機振蕩器功率，ωb為所述雷射器和所述接收光之間的差拍，φ為所述雷射器和所述返回光之間的相位差，S為二極體響應率，ib為二極體偏置電流，並且t為時間。

概念7.概念2的所述方法還包括：

使用以下方程式確定所述照射光斑的目標分量的參數，包括各目標分量的距離Ra、距離不確定度△Ra以及速度vt：

其中，f1為照射所述光斑的源的頻率，f2為所述接收光的頻率。

概念8.概念1或2的方法，其中：

各測量核Aj為二元的(binary)。

概念9.概念1或2的所述方法，其中：

所述N像素微鏡或掩模中的各像素可以設置為開啟從而使所述接收光通過至光電二極體探測器，或者設置為關閉從而阻擋所述接收光到達所述光電二極體探測器；並且

還包括：

隨著時間來調製所述N像素微鏡或掩模中的像素為開啟或關閉；以及

在光電探測器二極體中將所述N像素微鏡或掩模中的像素的通過的或阻擋的接收光進行整合，從而提供多值測量核。

概念10.概念1或2的所述方法還包括：

使方位和高度角解析度適應於照射光斑，從而優化興趣區域的解析度並更新速率，包括：

通過對所述可編程的N像素微鏡或掩模進行編程來改變有效的可編程的N像素微鏡或掩模解析度，從而有效地減小N；以及

改變測量M的次數。

概念11.一種雷射雷達系統，包括：

具有功率為φo的發射光束的脈衝頻率調製雷射器；

與所述雷射器光學耦合的微鏡，用於掃描穿過場景的所述發射光束，從而在所述場景中照射光斑；

光電二極體探測器；

耦合於所述光電二極體探測器並具有功率φ1o的所述發射光束的一部分；以及

位於從照射光斑反射的接收光的光路中的可編程的N像素鏡或掩模陣列，所述可編程的N像素鏡或掩模陣列光學耦合於所述光電二極體探測器。

概念12.概念11的系統還包括：

用於測量測量核A1至AM的y向量的工具，其中M為所述測量核的數量，所述用於測量所述y向量的所述工具包括：

用於使用所述測量核A1至AM中的第j個測量核Aj對所述可編程的N像素微鏡或掩模進行編程的工具；

用於測量y的工具，其中y為針對各距離單元ri的景物反射率f(α,β)與所述測量核Aj的內積，其中α和β分別為方位角和高度角；

用於重複對所述可編程的N像素微鏡或掩模進行編程以及測量各測量核A1至AM的y的工具；以及

用於使用測得的所述y向量形成重建圖像的工具，所述形成重建圖像包括壓縮傳感或Moore-Penrose重建；

其中，如果M小於N，並且如果θ為充分稀疏，則使用所述壓縮傳感採用L1範數來重建f:

其中，D包括字典D，θ包括相應係數；並且

其中，所述Moore-Penrose重建用於：如果M大於或等於N，則使用矩陣A的Moore-Penrose逆來重建f

其中

概念13.概念11或12的所述系統，其中：

其中所述光電二極體探測器的光電二極體輸出電流為

其中y為所述景物反射率f(α,β)與測量核Aj的內積，φo為輸出雷射功率，φ1o為本機振蕩器功率，ωb為所述雷射器和所述接收光之間的差拍，φ為所述雷射器和所述返回光之間的相位差，S為二極體響應率，ib為二極體偏置電流，並且t為時間。

概念14.概念11或12的所述系統還包括：

用於使用以下方程式確定所述照射光斑的目標分量的參數的工具，所述參數包括各目標分量的距離Ra、距離不確定度△Ra以及速度vt：

其中，f1為所述雷射器的頻率，f2為所述接收光的頻率。

概念15.概念11或12的所述系統，其中各測量核Aj為二元的。

概念16.概念11或12的所述系統還包括：

用於將所述N像素微鏡或掩模中的各像素設置為開啟從而使所述接收光通過至光電二極體探測器、或者設置為關閉從而阻擋所述接收光到達所述光電二極體探測器的工具；以及

用於隨著時間來調製所述N像素微鏡或掩模中的像素為開啟或關閉從而提供多值測量核的工具。

概念17.一種雷射雷達系統，包括：

用於掃描場景和在所述場景中照射光斑的掃描雷射器；

用於探測從所述場景反射的接收光的光電二極體探測器；

反射的接收光的光路中的可編程的N像素鏡或掩模陣列，所述可編程的N像素鏡或掩模陣列光學耦合於所述光電二極體探測器；以及

用於形成重建圖像的工具，所述形成重建圖像包括壓縮傳感或Moore-Penrose重建。

概念18.概念17的所述雷射雷達還包括：

用於測量核A1至AM的y向量的工具，其中M為所述測量核的數量，所述用於測量所述y向量的所述工具包括：

用於使用所述測量核A1至AM中的第j個測量核Aj對所述可編程的N像素微鏡或掩模進行編程的工具；

用於測量y的工具，其中y為針對各距離單元ri的景物反射率f(α,β)與所述測量核Aj的內積，其中α和β分別為方位角和高度角；

用於重複對所述可編程的N像素微鏡或掩模進行編程以及測量各測量核A1至AM的y工具；以及

用於使用測得的所述y向量形成重建圖像的工具，所述形成重建圖像包括壓縮傳感或Moore-Penrose重建。

概念19.概念18的所述系統，其中用於形成重建圖像的所述工具包括：

壓縮傳感工具，其中如果M小於N，並且如果θ為充分稀疏，則使用所述壓縮傳感工具採用L1範數來重建f：

其中，D包括字典D，θ包括相應係數。

概念20.概念18所述的雷射雷達，其中用於形成重建圖像的所述工具包括：

Moore-Penrose重建，其中所述Moore-Penrose重建用於：如果M大於或等於N，則使用矩陣A的Moore-Penrose逆來重建f

其中

概念21.概念17或18所述的雷射雷達：

其中所述光電二極體探測器的光電二極體輸出電流為

其中y為所述景物反射率f(α,β)與測量核Aj的內積，φo為輸出雷射功率，φ1o為本機振蕩器功率，ωb為所述雷射器和所述接收光之間的差拍，φ為所述雷射器和所述返回光之間的相位差，S為二極體響應率，ib為二極體偏置電流，並且t為時間；並且

還包括：

用於使用以下方程式來確定所述照射光斑中的目標分量的參數的工具，所述參數包括各目標分量的距離Ra、距離不確定度△Ra以及速度vt

其中f1為所述雷射器的頻率，以及f2為所述接收光的頻率。

權利要求書(按照條約第19條的修改)

1.一種用於增加由來自照射光斑的接收光形成的圖像的解析度的方法，包括：

測量測量核A1至AM的y向量，其中M為所述測量核的數量，測量所述y向量包括：

使用所述測量核A1至AM中的第j個測量核Aj對位於接收的反射場景光斑的返迴路徑中的可編程的N像素微鏡或掩模進行編程；

測量y，其中y為針對各距離單元ri的景物反射率f(α,β)與所述測量核Aj的內積，其中α和β分別為方位角和高度角；

重複對所述可編程的N像素微鏡或掩模進行編程並測量各測量核A1至AM的y向量；以及

使用測得的所述y向量形成重建圖像，其中形成所述重建圖像包括使用壓縮傳感或Moore-Penrose重建。

2.根據權利要求1所述的方法，其中測量y包括：

使用具有頻率調製連續波FMCW調製的光源照射所述光斑：

使用FMCW相干探測；以及

使用傅立葉分析。

3.根據權利要求1所述的方法，其中形成重建圖像包括：

如果M小於N，並且如果θ為充分稀疏，則使用壓縮傳感採用L1範數來重建f：

其中，D包括字典D，θ包括相應係數。

4.根據權利要求1所述的方法，其中形成重建圖像包括：

如果M大於或等於N，使用矩陣A的Moore-Penrose逆來重建f

其中A+＝(AHA)-1AH。

5.根據權利要求1所述的方法，其中所述照射光斑由掃描雷射器照射，且其中所述方法還包括：

掃描所述雷射器；以及

為每個被所述雷射器照射的光斑重複形成重建圖像；

其中測量y還包括：

從所述掃描雷射器發射具有三角形頻率調製連續波FMCW的雷射束；

將所述發射的雷射束的一部分與所述接收光在光電二極體探測器混合從而進行相干探測；

其中所述掃描雷射器包括掃描微鏡；且

其中所述可編程的N像素微鏡與所述掃描微鏡同步從而保持所述接收光對焦在光電二極體探測器上。

6.根據權利要求1所述的方法，還包括：

使用雷射器照射所述照射光斑；以及

使用光電二極體探測器探測所述接收光；

其中光電二極體輸出電流為：

其中y為景物反射率f(α,β)與測量核Aj的內積，φo為輸出雷射功率；φ1o為本機振蕩器功率，ωb為所述雷射器和所述接收光之間的差拍，φ為所述雷射器和所述返回光之間的相位差，S為二極體響應率，ib為二極體偏置電流，並且t為時間。

7.根據權利要求2所述的方法，還包括：

使用以下方程式確定所述照射光斑的目標分量的參數，包括各目標分量的距離Ra、距離不確定度△Ra以及速度vt：

其中，f1為照射所述光斑的源的頻率，f2為所述接收光的頻率。

8.根據權利要求1所述的方法，其中：

各測量核Aj為二元的。

9.根據權利要求1所述的方法，其中：

所述N像素微鏡或掩模中的各像素可以設置為開啟從而使所述接收光通過至光電二極體探測器，或者設置為關閉從而阻擋所述接收光到達所述光電二極體探測器；並且

還包括：

隨著時間來調製所述N像素微鏡或掩模中的像素為開啟或關閉；以及

在光電探測器二極體中將所述N像素微鏡或掩模中的像素的通過的或阻擋的接收光進行整合，從而提供多值測量核。

10.根據權利要求1所述的方法，還包括：

使方位和高度角解析度適應於照射光斑，從而優化興趣區域的解析度並更新速率，包括：

通過對所述可編程的N像素微鏡或掩模進行編程來改變有效的可編程的N像素微鏡或掩模解析度，從而有效地減小N；以及

改變測量M的次數。

11.一種雷射雷達系統，包括：

具有功率為φo的發射光束的脈衝頻率調製雷射器；

與所述雷射器光學耦合的微鏡，用於掃描穿過場景的所述發射光束，從而在所述場景中照射光斑；

光電二極體探測器；

耦合於所述光電二極體探測器並具有功率φ1o的所述發射光束的一部分；以及

位於從照射光斑反射的接收光的光路中的可編程的N像素微鏡或掩模陣列，所述可編程的N像素微鏡或掩模陣列光學耦合於所述光電二極體探測器；

用於測量測量核A1至AM的y向量的工具，其中M為所述測量核的數量，所述用於測量所述y向量的所述工具包括：

用於使用所述測量核A1至AM中的第j個測量核Aj對所述可編程的N像素微鏡或掩模進行編程的工具；

用於測量y的工具，其中y為針對各距離單元ri的景物反射率f(α,β)與所述測量核Aj的內積，其中α和β分別為方位角和高度角；

用於重複對所述可編程的N像素微鏡或掩模進行編程以及測量各測量核A1至AM的y的工具；以及

用於使用測得的所述y向量形成重建圖像的工具，所述形成重建圖像包括壓縮傳感或Moore-Penrose重建。

12.根據權利要求11所述的系統，還包括：

其中，如果M小於N，並且如果θ為充分稀疏，則使用所述壓縮傳感採用L1範數來重建f:

其中，D包括字典D，θ包括相應係數；並且

其中，所述Moore-Penrose重建用於：如果M大於或等於N，則使用矩陣A的Moore-Penrose逆來重建f

其中A+＝(AHA)-1AH。

13.根據權利要求11所述的系統，其中：

其中所述光電二極體探測器的光電二極體輸出電流為

其中y為所述景物反射率f(α,β)與測量核Aj的內積，φo為輸出雷射功率，φ1o為本機振蕩器功率，ωb為所述雷射器和所述接收光之間的差拍，φ為所述雷射器和所述返回光之間的相位差，S為二極體響應率，ib為二極體偏置電流，並且t為時間。

14.根據權利要求11所述的系統，還包括：

用於使用以下方程式確定所述照射光斑的目標分量的參數的工具，所述參數包括各目標分量的距離Ra、距離不確定度△Ra以及速度vt：

其中，f1為所述雷射器的頻率，f2為所述接收光的頻率。

15.根據權利要求11所述的系統，其中各測量核Aj為二元的。

16.根據權利要求11所述的系統還包括：

用於將所述N像素微鏡或掩模中的各像素設置為開啟從而使所述接收光通過至光電二極體探測器、或者設置為關閉從而阻擋所述接收光到達所述光電二極體探測器的工具；以及

用於隨著時間來調製所述N像素微鏡或掩模中的像素為開啟或關閉從而提供多值測量核的工具。

17.一種雷射雷達，包括：

用於掃描場景和在所述場景中照射光斑的掃描雷射器；

用於探測從所述場景反射的接收光的光電二極體探測器；

反射的接收光的光路中的可編程的N像素鏡或掩模陣列，所述可編程的N像素鏡或掩模陣列光學耦合於所述光電二極體探測器；以及

用於形成重建圖像的工具，所述形成重建圖像包括壓縮傳感或Moore-Penrose重建；

用於測量核A1至AM的y向量的工具，其中M為所述測量核的數量，所述用於測量所述y向量的所述工具包括：

用於使用所述測量核A1至AM中的第j個測量核Aj對所述可編程的N像素微鏡或掩模進行編程的工具；

用於測量y的工具，其中y為針對各距離單元ri的景物反射率f(α,β)與所述測量核Aj的內積，其中α和β分別為方位角和高度角；

用於重複對所述可編程的N像素微鏡或掩模進行編程以及測量各測量核A1至AM的y工具；以及

用於使用測得的所述y向量形成重建圖像的工具，所述形成重建圖像包括壓縮傳感或Moore-Penrose重建。

18.根據權利要求17所述的雷射雷達，其中用於形成重建圖像的所述工具包括：

壓縮傳感工具，其中如果M小於N，並且如果θ為充分稀疏，則使用所述壓縮傳感工具採用L1範數來重建f:

其中，D包括字典D，θ包括相應係數。

19.根據權利要求17所述的雷射雷達，其中用於形成重建圖像的所述工具包括：

Moore-Penrose重建，其中所述Moore-Penrose重建用於：如果M大於或等於N，則使用矩陣A的Moore-Penrose逆來重建f

其中A+＝(AHA)-1AH。

20.根據權利要求17所述的雷射雷達：

其中所述光電二極體探測器的光電二極體輸出電流為

其中y為所述景物反射率f(α,β)與測量核Aj的內積，φo為輸出雷射功率，φ1o為本機振蕩器功率，ωb為所述雷射器和所述接收光之間的差拍，φ為所述雷射器和所述返回光之間的相位差，S為二極體響應率，ib為二極體偏置電流，並且t為時間；並且

還包括：

用於使用以下方程式來確定所述照射光斑中的目標分量的參數的工具，所述參數包括各目標分量的距離Ra、距離不確定度△Ra以及速度vt

其中f1為所述雷射器的頻率，以及f2為所述接收光的頻率。