[发明专利]基于APD阵列的三维激光成像系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及压缩感知三维成像技术领域，尤其涉及基于压缩感知的三维成像系统及成像方法。

背景技术

信息获取是信息科学的重要分支，其中三维信息的获取尤为重要。和二维图像相比，三维图像能够能够更加全面地表示物体，提供更加丰富的信息如距离、方位、大小和姿态等，这使得三维成像在导航、考古、测量、检测和城市建模等多个领域有广泛应用。

传统的三维成像主要有两种：被动式三维成像和主动式三维成像。被动式三维成像是基于计算机视觉的方法，仿照人类利用双目线索感知距离的方法，需要在同一场景的不同位置拍摄两幅或两幅以上的图像，通过计算空间点在两幅图像的视差，获取空间点的三维信息。由于被动三维成像对光照及物体形态的先验认识有极大的依赖性，使其在某些场合有极大的局限性。而且被动式三维成像还会因为视角的不同和物体的遮挡丢失信息，对其恢复的精确性也有一定影响。

主动式三维成像的一种方式是点扫描。扫描方式需要精密的光机电扫描装置，系统体积大，成本高，且成像分辨率受点扫描效率较大，一般难以满足高分辨率和高成像速率，同时还面临着海量数据存储和传输等难以突破的瓶颈。

面阵探测也是主动式三维成像的一种方式，成像精度受面阵分辨率影响较大，同时这种方法还面临着传感器阵列制造工艺的限制。以APD阵列探测器为例，目前基于APD阵列的探测器主要由国外制造，而大面阵的探测器被限制进口，目前市场上能得到的APD阵列大小是8*8，无法获得更大面阵的APD阵列，这就极大地限制了基于APD阵列的成像精度，如何用低分辨率的传感器阵列高速获取高精度的图像成为一个亟待解决的问题。

近几年出现的压缩感知理论为解决上述问题提供了新思路，而且目前将压缩感知应用于三维成像的研究还很少。它将信号的采集与压缩合二为一，每次测量多重传输了若干个点的信息。当采样频率远远低于奈奎斯特采样定理的要求时，不需要知道每个点的具体信息，就可以以极大的准确率恢复出原始稀疏信号。当原始信号为非稀疏信号时，应将原始信号变换为某个频域的稀疏信号。用压缩感知重构算法恢复出频域的稀疏信号后，可进一步通过反变换恢复出原始信号。压缩感知可以极大地减少数据量，更加利于传输和存储。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于压缩感知的三维成像系统及成像方法，能够以低分辨率的APD传感器阵列同时获得高分辨率的距离像和强度像，突破传感器阵列的限制，成像效果更好，速度更快，同时又不受光照、视角等外部条件的影响，数据量大为精简，更加利于传输和存储。

实现本发明目的的技术思路是：利用激光发射器发射脉宽足够大的脉冲覆盖整个目标，用单元APD探测器探测半透半反镜反射的激光脉冲，用APD阵列探测器探测数字微镜器件反射的激光脉冲。由测时电路鉴别数字微镜器件的反射光脉冲和半透半反镜的反射光脉冲到达的时间，计算时间间隔，即可得到目标各点的距离信息。利用数字微镜器件对目标的反射光进行随机采样，以减少整个过程的数据量，最后利用现有的压缩感知重构算法(BP或OMP)可恢复出目标的距离像。根据APD阵列探测器探测得到的光强，由压缩感知重构算法(BP或OMP)可恢复出强度像。

为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：

基于APD阵列的三维激光成像系统，包括激光发射器4，固定在激光发射器4出光端的半透半反镜5，入射光以45°角入射于半透半反镜5，固定于半透半反镜5透射光路上的达曼光栅6，目标物体12固定于达曼光栅6的出光端，固定于目标物体12反射光路上的第一汇聚透镜1，固定于第一汇聚透镜1汇聚光路上的数字微镜器件DMD7，固定于数字微镜器件DMD7反射光路上的第二汇聚透镜2，固定于第二汇聚透镜2汇聚光路上的8*8的APD阵列探测器9；固定于半透半反镜5反射光路上的第三汇聚透镜3，固定于第三汇聚透镜3汇聚光路上的单元APD探测器8；与所述单元APD探测器8和8*8的APD阵列探测器9连接的测时电路10，与测时电路10和数字微镜器件DMD7连接的计算机处理模块11。

激光发射器4，以高频率发射脉宽足够大的脉冲以覆盖整个目标，便于得到整个目标的三维信息；

半透半反镜5，将激光器发射的激光一部分透射过去，一部分反射给单元APD探测器，以便得到阵列探测器和单元探测器测得信号的时间差；

达曼光栅6，用于在后场形成高强度且能量分布均匀的阵列光束，减少光束能量分布不均对测距的影响，消除激光相干性和灰尘造成的散斑噪声，提高能量利用率，更加易于实现小型化、轻型化和低功耗；