單光子計數壓縮採樣雷射三維成像方法

2023-05-03 10:05:21

專利名稱：單光子計數壓縮採樣雷射三維成像方法
技術領域：
本發明涉及雷射三維成像技術，是一種能夠獲取目標空間信息的主動光學成像技術。單光子計數壓縮採樣雷射三維成像方法突破了傳統單元探測器雷射三維成像需要高速掃描機構的局限性，實現單元探測器非掃描三維成像，屬於雷射成像及數字圖像處理技術領域。
背景技術：
隨著人類科技進步與社會的發展需要，高速飛行器導航、全天候目標識別與跟蹤、 地形高精度勘測等應用都對目標探測提出了極高的要求。雷射成像探測相對於其它主動探測手段如無線電波段雷達、超聲波(聲納)探測而言，具有可靠性高，空間解析度高的優勢。 其中雷射三維成像探測技術是一種能夠獲取目標空間信息的主動光學探測技術。目前雷射三維成像技術所採用的探測器主要有面陣探測器和單元探測器。採用面陣探測器的方法， 因無需機械掃描裝置，具有高幀頻、寬視場、可靠性高、體積小等特點，但其主要問題是由於受器件集成工藝等因素的制約，大面陣探測器實現較難，響應波段受限，且價格昂貴。採用傳統單元探測器的方法，優點在于波長選擇範圍寬，具有可適應於不同波長成像的能力，且單元探測器價格低廉，易於實現，其主要問題是需要高速掃描機構，結構尺寸較大，可靠性差，且對信號處理速度和雷射器重頻有很高的要求。本專利給出了基於單光子單元探測器壓縮採樣的非掃描雷射三維成像的方法，並且引入距離選通成像的方法修正基於單光子計數壓縮採樣得到的時間測量向量，採用壓縮感知恢復算法重構獲得三維圖像。

發明內容
1、目的本發明針對傳統單元探測器雷射三維成像需要高速掃描機構的局限性以及傳統的雷達成像系統存在海量數據採集和存儲問題，給出了單光子計數壓縮採樣雷射三維成像方法，該方法是基於單光子單元探測器壓縮採樣的非掃描雷射三維成像的方法，採用壓縮採樣對原始信號直接採樣，減少了數據採集量，節約了數據存儲空間，從而大大的降低了數據處理量。2、技術方案本發明給出了單光子計數壓縮採樣雷射三維成像方法。壓縮感知 (compressed sensing)理論是近年來出現的一種新穎的採樣理論，其突破了奈奎斯特採樣定理的理論限制。壓縮感知理論指出當信號在某個變換域是稀疏的或可壓縮的，可以利用與變換矩陣非相干的測量矩陣將變換係數線性投影為低維觀測向量，同時這種投影保持了重建信號所需的信息，通過進一步求解稀疏最優化問題就能夠從低維觀測向量精確地或高概率精確地重建原始高維信號。其數學表達式為γ = φ/ = φψχ = φχ其中，f e Rn是原始信號；Φ e Rmxn(M<<N)為測量矩陣；f = Ψχ是f在某變換基Ψ e Rnxn下的稀疏表示；φ = φψ記為傳感矩陣；y e Rm為f在測量矩陣Φ下線性投影獲得的測量值，為M*1維的低維測量向量。理論證明原始信號f可由測量向量y通過求解最優Itl範數問題精確重構，其數學表達式為r=argmin||x||。以 φχ = yf = Ψχ 單光子計數壓縮採樣雷射三維成像方法具體實現流程為第一，同步控制源發出觸發信號控制數字微鏡陣列進行變換，經過一定的時間延遲觸發脈衝雷射器發射脈衝雷射泛光照明目標，被目標反射的光脈衝經數字微鏡陣列調製後通過半反半透鏡分為兩部分，一部分由單光子計數雪崩光電二極體(APD)接收，通過時間數字轉換器得到脈衝飛行時間的測量值，另一部分經光電二極體(PD)得到光強度測量值。第二，保持同步控制電路的延遲時間不變，重複上述過程M次，獲得時間測量向量。第三，關閉時間測量部分，接著以一定步進值改變同步控制電路延遲時間η次，得到相應η幅切片圖像的光強度測量向量，採用壓縮感知恢復算法恢復η幅切片圖像後，再基於距離選通成像方法(即切片法)獲取低精度的三維圖像。第四，通過測量矩陣和切片法重構得到的低精度三維圖像來修正時間測量向量， 最終由壓縮感知恢復算法重構得到高精度三維圖像。3、優點及功效本發明的優點是克服了傳統單元探測器雷射三維成像需要高速掃描機構的局限性，採用壓縮採樣對原始信號直接採樣，減少了數據採集量，節約了數據存儲空間，並且還能得到三維圖像。


圖1為單光子計數壓縮採樣雷射三維成像組成框圖。該系統結構主要由脈衝半導體雷射器、雷射發射和接收光單元、同步控制電路、數字微鏡陣列(DMD)、半反半透鏡、雪崩光電二極體(APD)、可編程時間測量單元、光電二極體(PD)以及圖像處理單元和顯示單元等組成。雷射源是由半導體雷射器構成，輸出脈衝雷射；數字微鏡陣列是在半導體上布置了一系列微鏡片面陣列，其中成像解析度大小與微鏡片的數量密切相關。圖1中符號說明如下1脈衝半導體雷射器；2同步控制電路；3發射透鏡；4目標；5接收透鏡；6數字微鏡陣列(DMD) ； 7半反半透鏡；8時間測量接收透鏡；9雪崩光電二極體(APD) ； 10可編程時間測量單元；11灰度測量接收透鏡；12光電二極體 (PD) ； 13同步控制源；14快門；15圖像處理和顯示單元。
具體實施例方式本發明是基於單光子單元探測器壓縮採樣的非掃描雷射三維成像方法，並且引入距離選通成像的方法修正基於單光子計數壓縮採樣得到的時間測量向量，是一種新的雷射三維成像方法。見圖1本發明是單光子計數壓縮採樣雷射三維成像方法，具體實現步驟是
1、同步控制源發出觸發信號控制數字微鏡陣列進行變換，經過一定的時間延遲觸發脈衝雷射器發射脈衝雷射泛光照明目標，被目標反射的光脈衝經數字微鏡陣列調製後通過半反半透鏡分為兩部分，一部分經單光子計數雪崩光電二極體(APD)接收，通過時間數字轉換器得到脈衝飛行時間的測量值，另一部分經光電二極體(PD)得到光強度測量值。其中光強度測量工作時序為脈衝雷射器發出光脈衝，觸發同步控制電路經過一定延遲時間開啟快門，獲得經數字微鏡陣列調製的光脈衝強度信息，記為一個強度測量值。2、脈衝飛行時間的測量值是通過數字微鏡陣列調製(相當於測量矩陣Φ)從觀察場景反射回來的脈衝雷射，採用可編程時間測量系統準確記錄時間得到的。保持同步控制電路的延遲時間不變，重複上述過程M次，獲得時間測量向量Y'。 採用單光子計數APD器件，由於對於空間上距離相同的點返回的光脈衝經過數字微鏡陣列調製後聚焦到APD上時，通過可編程時間測量系統僅能記錄一個時間值，而漏計其餘距離相同的點所返回的光脈衝對應的時間數值，因此需要對測量向量Y'進行進一步修正。為此在圖1中接收部分增加了一個單元光電探測器件(PD)，引入了距離選通成像方法來修正 Y'。3、在獲得時間測量向量Y'之後。關閉時間測量部分，接著以一定步進值改變同步控制電路延遲時間η次，得到相應η幅切片圖像的光強度測量向量，採用壓縮感知恢復算法恢復η幅切片圖像後，再基於距離選通成像方法獲取低精度的三維圖像。4、依據切片法重構得到低精度三維圖像信息判斷飛行時間法每次採樣測量過程中所漏計的時間數值，以此修正飛行時間法壓縮採樣獲取的測量向量，最後由壓縮感知恢復算法重構得到高精度三維圖像。通過上述方法，突破了傳統單元探測器雷射三維成像需要高速掃描機構的局限性，並且能夠由壓縮感知恢復算法重構得到高精度三維圖像。本發明的優點是克服了傳統單元探測器雷射三維成像需要高速掃描機構的局限性，並且沒有直接對得到的測量向量進行圖像重構，而是通過依據切片法重構得到的低精度三維圖像信息判斷飛行時間法每次採樣測量過程中所漏計的時間數值，以此修正飛行時間法壓縮採樣獲取的測量向量，進而實現三維圖像的高精度重構，並且在圖像處理中，採用了壓縮感知，減少了數據採集量，節約了數據存儲空間，從而大大的降低了數據處理量。
權利要求
1.單光子計數壓縮採樣雷射三維成像方法，其特徵在於基於單光子單元探測器壓縮採樣的非掃描雷射三維成像的方法，並且引入距離選通成像的方法修正基於單光子計數壓縮採樣得到的時間測量向量，採用壓縮感知恢復算法重構獲得三維圖像。其包含下列步驟(1)同步控制源發出觸發信號控制數字微鏡陣列進行變換，經過一定的時間延遲觸發脈衝雷射器發射脈衝雷射泛光照明目標，被目標反射的光脈衝經數字微鏡陣列調製後通過半反半透鏡分為兩部分，一部分由單光子計數雪崩光電二極體(APD)接收，通過時間數字轉換器得到脈衝飛行時間的測量值，另一部分經光電二極體(PD)得到光強度測量值。其中光強度測量工作時序為脈衝雷射器發出光脈衝，觸發同步控制電路經過一定延遲時間開啟快門，獲得經數字微鏡陣列調製的光脈衝強度信息，記為一個強度測量值。(2)保持同步控制電路的延遲時間不變，重複上述過程M次，獲得時間測量向量。(3)關閉時間測量部分，接著以一定步進值改變同步控制電路延遲時間η次，得到相應 η幅切片圖像的光強度測量向量，採用壓縮感知恢復算法恢復η幅切片圖像後，再基於距離選通成像方法獲取低精度的三維圖像。(4)通過測量矩陣和切片法重構得到的低精度三維圖像來修正時間測量向量，最終由壓縮感知恢復算法重構得到高精度三維圖像。
2.如權利要求1所述的單光子計數壓縮採樣雷射三維成像方法，其特徵在於是基於單光子單元探測器壓縮採樣的非掃描雷射三維成像的方法。採用單光子計數APD探測器， 其波長選擇範圍寬，具有適應於不同波長和弱光探測成像的能力，這種適應能力是普通APD 陣列成像器件所不具備的，且克服了對集成難度高且價格昂貴的大面陣探測器的依賴，同時突破了傳統單元探測器雷射三維成像需要高速掃描機構的局限性。
3.如權利要求1所述的單光子計數壓縮採樣雷射成像方法，其特徵在於引入距離選通成像的方法修正基於單光子計數壓縮採樣得到的時間測量向量，採用壓縮感知恢復算法重構三維圖像。
4.如權利要求1所述的單光子計數壓縮採樣雷射成像方法，其特徵在於脈衝雷射器發出光脈衝，觸發同步控制電路經過一定延遲時間開啟快門，獲得經數字微鏡陣列調製的光脈衝強度信息。
5.如權利要求1所述的單光子計數壓縮採樣雷射成像方法，其特徵在於保持同步控制電路的延遲時間不變，數字微鏡陣列變換M次，分別得到光脈衝飛行時間測量向量和強度測量向量。
6.如權利要求1所述的單光子計數壓縮採樣雷射成像方法，其特徵在於以一定步進值改變同步控制電路延遲時間η次，得到相應η幅切片圖像的光強度測量向量，採用壓縮感知恢復算法恢復η幅切片圖像後，再基於距離選通成像方法獲取低精度的三維圖像。
7.如權利要求1所述的單光子計數壓縮採樣雷射成像方法，其特徵在於由測量矩陣和切片法重構得到的低精度三維圖像來修正時間測量向量，最終由壓縮感知恢復算法重構得到高精度三維圖像。
全文摘要
本專利給出了一種單光子計數壓縮採樣雷射三維成像方法，它適用於地形測繪、信息處理、數字圖像處理、地形高精度勘測等領域。該方法是基於單光子單元探測器壓縮採樣的非掃描雷射三維成像方法，並且引入距離選通成像的方法修正基於單光子計數壓縮採樣得到的時間測量向量，採用壓縮感知恢復算法重構得到高精度三維圖像。本專利在雷射成像及數字圖像處理技術領域裡具有較好的實用價值和廣闊的應用前景。
文檔編號G01S17/89GK102375144SQ20111028306
公開日2012年3月14日 申請日期2011年9月22日 優先權日2011年9月22日
發明者黨二升, 吳磊, 李麗, 王興賓 申請人:北京航空航天大學