[发明专利]基于压缩感知脉冲编码调制的三维信息获取装置和方法

权利要求书

1.一种基于压缩感知脉冲编码调制的三维信息获取装置，其特征在于，包括：脉冲激光模块、图像生成加载模块（6）、成像系统（2）、空间光调制器（3）、会聚透镜（4）、单点探测器（5）、高速数据采集模块（7）和计算存储模块（8）；

所述脉冲激光模块发出脉冲激光并投射到目标景物上；

所述图像生成加载模块（6）生成多次测量加载的二维随机调制图像，并将二维随机调制图像传递给所述空间光调制器（3）；

所述成像系统（2）用于收集所述目标景物的漫反射光，并将目标景物成像到空间光调制器（3）上；

所述空间光调制器（3）根据加载其上的二维随机调制图像对得到的目标景物的图像进行编码调制；

所述会聚透镜（4）将目标景物图像调制后的光强会聚得到调制后的不同距离回波的总光强；

所述单点探测器（5）用于探测所述会聚透镜（4）会聚得到不同距离回波的总光强；

所述高速数据采集模块（7）用于采集单点探测器（5）多次探测得到的不同距离回波的总光强；

所述计算存储模块（8）通过对多次探测得到的不同距离回波的总光强进行一维编码调制，利用压缩感知算法完成三维信息获取。

2.如权利要求1所述的基于压缩感知脉冲编码调制的三维信息获取装置，其特征在于，所述空间光调制器（3）为透射型空间光调制器或反射型空间光调制器。

3.如权利要求2所述的基于压缩感知脉冲编码调制的三维信息获取装置，其特征在于，所述的成像系统（2）为望远系统、显微系统或照相系统。

4.如权利要求3所述的基于压缩感知脉冲编码调制的三维信息获取装置，其特征在于，所述图像生成加载模块（6）内设有同步模块，实现每切换一张图像所述脉冲激光模块发一个脉冲激光。

5.如权利要求4所述的基于压缩感知脉冲编码调制的三维信息获取装置，其特征在于，所述高速数据采集模块（7）和脉冲激光模块之间连接有同步探测模块（9）。

6.如权利要求1所述的基于压缩感知脉冲编码调制的三维信息获取装置，其特征在于，所述脉冲激光模块包括脉冲激光光源（1）、扩束镜和分光棱镜（10）。

7.一种基于压缩感知脉冲编码调制的三维信息获取方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）脉冲激光光源发出脉冲激光照射目标景物；

（2）目标景物经成像系统成像到空间光调制器上，空间光调制器根据加载其上的二维随机调制图像对得到的目标景物的图像进行编码调制；

（3）将目标景物调制后图像的光强会聚后得到调制后的不同距离回波的总光强，并由单点探测器接收；

（4）利用高速数据采集模块采集单点探测器探测的不同距离回波的总光强；

（5）重复步骤（1）～（4）对目标景物进行M次测量，得到M次测量的回波总光强，最后利用压缩感知算法完成目标景物三维信息的获取。

8.如权利要求7所述的基于压缩感知脉冲编码调制的三维信息获取方法，其特征在于，在步骤（4）中，需要对高速数据采集模块每次采集的不同距离回波的总光强进行一维随机编码调制，其中，一维随机调制向量为B=1×r，r为一维随机调制向量元素数。

9.如权利要求8所述的基于压缩感知脉冲编码调制的三维信息获取方法，其特征在于，所述M为小于二维随机调制图像总像素数和一维随机调制向量元素数的乘积的自然数。

10.如权利要求9所述的基于压缩感知脉冲编码调制的三维信息获取方法，其特征在于，在步骤（5）中，利用压缩感知算法完成目标景物三维信息获取的具体方法为：

（1）设定二维随机调制图像总像素数A=p×q，p为二维随机调制图像的横向分辨率，q为二维随机调制图像的纵向分辨率；一维随机调制向量B=1×r，目标景物的测量次数为M，生成一个M×A维的矩阵Φ₁和一个M×B维的矩阵Φ₂，利用矩阵Φ₁生成M幅二维随机调制图像Φ₁（i），利用矩阵Φ₂生成M个一维随机调制向量Φ₂（j），其中i，j=1,2,3,4…M；

Φ1=A1(1,1)A1(1,2)···A1(p,q)A2(1,1)A2(1,2)···A2(p,q)············AM(1,1)AM(1,2)···AM(p,q)=Φ1(1)Φ1(2)···Φ1(M)]]>

Φ2=B1(1,1)B1(1,2)···B1(1,r)B2(1,1)B2(1,2)···B2(1,r)············BM(1,1)BM(1,2)···BM(1,r)=Φ2(1)Φ2(2)···Φ2(M)]]>

其中，A_i(m,n)为第i幅二维随机调制图像中的图像元素，m=1,2,3…p，n=1,2,3…q；B_i（1,s）为第i个一维随机调制向量中的元素，s=1,2,3…r；

（2）空间光调制器依次在脉冲信号光中加载第i幅二维随机调制图像，得到带有第i幅二维随机调制图像信息的调制脉冲信号光；调制后的脉冲信号光被单点探测器探测并由高速数据采集模块第i次采集得到不同距离回波的总光强，第i次采集到的不同距离回波的总光强乘以第i个一维随机调制向量并求和，得到第i次测量两次调制后的所有距离回波的总光强y_i，其中i=1,2,3,4…M；

（3）通过矩阵Φ₁和Φ₂得到测量矩阵Φ为M×（A×B）维的二维矩阵；

Φ=B1(1,1)·Φ1(1)B1(1,2)·Φ1(1)···B1(1,r)·Φ1(1)B2(1,1)·Φ1(2)B2(1,2)·Φ1(2)···B2(1,r)·Φ1(2)············BM(1,1)·Φ1(M)BM(1,2)·Φ1(M)···BM(1,r)·Φ1(M)]]>

（4）经过M次测量，M次测量总光强记为Y；

Y=y1y2···yM]]>

其中，y_i为第i次测量两次调制后的所有距离回波的总光强；

（5）最后根据Y=ΦX反算出目标物体的三维信息X。