一种基于DMD的四维激光雷达成像装置及方法，该装置包括发射装置，固定在发射装置出光端的目标，固定于目标反射光路上的第一汇聚透镜，固定于第一汇聚透镜汇聚光路上的数字微镜器件DMD，固定于数字微镜器件DMD反射光路上的第二汇聚透镜，固定于第二汇聚透镜汇聚光路上的接收装置；与接收装置连接的混频器，与混频器连接的中频放大器，与中频放大器连接的正交相位检波器，与正交相位检波器连接的信号处理装置；还包括与所述发射装置、混频器和正交相位检波器连接的高稳定信号源，与发射装置、数字微镜器件DMD和信号处理装置连接的同步装置；本发明专利技术还公开了基于DMD的四维激光雷达成像方法；本发明专利技术对于距离离散分布和连续分布的目标均具有很好的探测效果，成像速度快，图像分辨率高。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及激光主动成像
，具体涉及一种基于DMD的四维激光雷达成像装置及方法。
技术介绍
激光作为远距离探测的常用光源，具有能量高、方向性好、传播距离远、单色性好等优点，用激光作为光源的成像系统具有成像距离远、抗干扰能力强等优点，被广泛用于战场、考古、测量、检测和城市建模等多个领域。目前，激光主动成像技术主要包括：扫描式激光主动成像和无扫描激光主动成像两种方案，但这两种方案均存在某些不足之处。扫描式激光主动成像系统主要利用机械扫描，声(电)光扫描，MEMS扫描等扫描方式实现对目标的三维激光成像。该方案具有探测距离远，信号处理电路简单，成本低廉等优势，但是，扫描式激光主动成像系统的成像速度受扫描速度和激光器重复频率的制约，难以获得高速的激光图像。目前，扫描式激光主动成像的图像更新率一般低于10Hz,难以满足精确制导技术的需求。无扫描激光主动成像探测系统主要采用基于APD阵列探测器的无扫描激光成像技术，(如MIT的Gen-III系统，我国哈工大，航天二院研制的激光主动成像雷达)。该方案具有结构简单，成像速度快的优点，但是，无扫描激光主动成像系统中的核心器件是APD阵列探测器，这种探测器价格非常昂贵，以Si型32×32APD阵列为例，每只大约需要十几万元人民币，若换做灵敏度更高的军用级的InGaAs型APD阵列探测器，单只价格则会接近百万，高昂的价格严重制约了无扫描激光主动成像技术的研究和应用；此外，受制造工艺和成本的制约，APD阵列的分辨率比较低，一般在32×32左右，难以获得清晰的目标图像。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。应用压缩感知理论，可以用单元探测器代替传感器阵列，在采集信号的同时进行信号的压缩，虽然采样频率低于奈奎斯特采样频率，仍旧可以以极大的精确性恢复出原始信号。基于压缩感知的激光成像技术，是近几年随着压缩感知理论的发展与应用而出现的一种新型激光主动成像方式，具有成像速度快，图像分辨率高，成本低等优势，恰恰弥补了传统激光主动成像方案的不足，极有可能为激光主动成像制导提供一条新的技术途径。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术的目的在于提供一种基于DMD的四维激光雷达成像装置及方法，能够实时地获得目标场景中每一个分辨单元的强度信息和距离信息，不同于目前已有的基于压缩感知的激光主动成像装置对于距离连续分布的目标无法获得较高的距离分辨率，本专利技术对于距离离散分布和连续分布的目标均具有很好的探测效果，成像速度快，图像分辨率高，成本低，体积小，可以大大提高后续识别、跟踪运动目标的实时性和准确性，增强雷达适应复杂战场的能力。实现本专利技术目的的技术思路是：高稳定信号源为发射装置、混频器以及正交相位检波器提供载频一定的正弦信号。同步装置控制发射装置、数字微镜器件DMD以及信号处理装置按周期T同步工作。在每一个周期中，发射装置发射脉冲宽度为t、载频为f0的相参脉冲串信号照在目标上，目标返回来的信号经由第一汇聚透镜传给数字微镜器件DMD，数字微镜器件DMD对照在其上的入射光按照压缩感知二值随机采样矩阵Φ的形式进行调制后传给第二汇聚透镜。第二汇聚透镜将数字微镜器件DMD调制过的光信号传给接收装置，接收装置将载频为f0+fdi(i＝1,2,3,…m，m为具有不同运动状态的物体的个数)的光信号转换为电信号，并作为主振信号传给混频器，其中fdi为反应第i个目标运动信息的多普勒频率。在混频器中，主振信号与载频为f0-fI的本振信号进行混频，其中fI为中频信号的频率，并通过选频回路选出频率为fdi+fI的信号输出到中频放大器。中频放大器对其进行功率放大后，进入正交相位检波器，将载频为fdi的信号检出来送入信号处理装置。在信号处理装置中对信号做FFT变换，得到信号的频谱图。信号的频谱图为频率fdi(i＝1,2,3,…m，m为具有不同运动状态的物体的个数)处的sinc函数。从幅度谱图中分别提取出w＝fdi处的幅值Wi，并计算出所有多普勒频率为fdi的回波合成信号的强度信息Ei。从相位谱图w＝fdi处的幅值计算出相应的相位Ψi，得到强度距离混合信息的一次压缩测量值经过M个采样周期，可以生成M维强度/距离测量向量Y，对复数信号恢复效果很好的压缩感知重构算法(如SpaRSA，不限于SpaRSA算法)恢复出四维图像中每一个分辨单元的强度距离混合信息，并据此分别解算出相应的强度信息和距离信息。为达到以上目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于DMD的四维激光雷达成像装置，包括发射装置1，固定在发射装置1出光端的目标10，固定于目标10反射光路上的第一汇聚透镜3，固定于第一汇聚透镜3汇聚光路上的数字微镜器件DMD2，固定于数字微镜器件DMD2反射光路上的第二汇聚透镜4，固定于第二汇聚透镜4汇聚光路上的接收装置5；与接收装置5连接的混频器6，与混频器6连接的中频放大器7，与中频放大器7连接的正交相位检波器8，与正交相位检波器8连接的信号处理装置9；还包括与所述发射装置1、混频器6和正交相位检波器8连接的高稳定信号源11，与所述发射装置1、数字微镜器件DMD2和信号处理装置9连接的同步装置12；所述发射装置1，发射周期为T、脉冲宽度为t、初相为0的相参脉冲串光信号照在目标10上；所述数字微镜器件DMD2，依照压缩感知二值随机采样矩阵Φ的形式变换其上的铝镜状态，对目标10的反射光进行调制，压缩感知二值随机采样矩阵Φ的元素值即对应数字微镜器件DMD2的铝镜状态，当矩阵元素值为+1时，数字微镜器件DMD2对应位置的铝镜偏转+12°，将光信号反射到第二汇聚透镜4并传给接收装置5；当矩阵元素值为0时，数字微镜器件DMD 2对应位置的铝镜偏转-12°，将其上的入射光反射到吸收平面进行入射光吸收；所述接收装置5，采用单点探测器，接收第二汇聚透镜4传来的光信号并转换为电信号以便后续处理；所述混频器6，是一种典型的频谱搬移电路，它将接收装置5传来的信号作为主振信号，混频器6的主振信号的频率为f0+fdi，与高稳定信号源11提供的频率为f0-fI的本振信号进行混频，采用选频回路选出频率为fdi+fI的中频信号；所述中频放大器7，对混频器6传来的中频信号进行功率放大，以便进行后续处理；所述正交相位检波器8，从中频放大器7传来的放大的中频信号中提取出多普勒频率fdi，得到的信号是频率为多普勒频率fdi的复信号；所述信号处理装置9，对正交相位检波器8传来的复信号进行FFT变换，并运用压缩感知得到目标10的强度信息和距离信息，即可到目标10的四维图像；所述高稳定信号源11，为发射装置1提供载频为f0的信号，为混频器6提供频率为f0-fI的正弦本振信号，为正交相位检波器8提供频率为fI的相参基准信号；所述同步装置12，保证发射装置1发射光信号、数字微镜器件DMD2变换其上铝镜状态以及信号处理装置9对这一次采样得到的数据进行处理三者之间的同步进行；所述正交相位检波器8包括第一乘法器30，与第一乘法器30连接的第一低通滤波器21；第二乘法器31，与第二乘法器31连接的第二低通滤波器22；与第一乘法器30和第二乘法器31连接的移相器20。本专利技术提出的基于DMD的四维激光雷达成像方法包括如下步骤：步骤一，利用信号处理装置9生成一个M×N维的压缩感本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于DMD的四维激光雷达成像装置，其特征在于：包括发射装置(1)，固定在发射装置(1)出光端的目标(10)，固定于目标(10)反射光路上的第一汇聚透镜(3)，固定于第一汇聚透镜(3)汇聚光路上的数字微镜器件DMD(2)，固定于数字微镜器件DMD(2)反射光路上的第二汇聚透镜(4)，固定于第二汇聚透镜(4)汇聚光路上的接收装置(5)；与接收装置(5)连接的混频器(6)，与混频器(6)连接的中频放大器(7)，与中频放大器(7)连接的正交相位检波器(8)，与正交相位检波器(8)连接的信号处理装置(9)；还包括与所述发射装置(1)、混频器(6)和正交相位检波器(8)连接的高稳定信号源(11)，与所述发射装置(1)、数字微镜器件DMD(2)和信号处理装置(9)连接的同步装置(12)；所述发射装置(1)，发射周期为T、脉冲宽度为t、初相为0的相参脉冲串光信号照在目标(10)上；所述数字微镜器件DMD(2)，依照压缩感知二值随机采样矩阵Φ的形式变换其上的铝镜状态，对目标(10)的反射光进行调制，压缩感知二值采样矩阵Φ的元素值即对应数字微镜器件DMD(2)的铝镜状态，当矩阵元素值为+1时，数字微镜器件DMD(2)对应位置的铝镜偏转+12°，将光信号反射到第二汇聚透镜4并传给接收装置(5)；当矩阵元素值为0时，数字微镜器件DMD(2)对应位置的铝镜偏转‑12°，将其上的入射光反射到吸收平面进行入射光吸收；所述接收装置(5)，采用单点探测器，接收第二汇聚透镜(4)传来的光信号并转换为电信号以便后续处理；所述混频器(6)，是一种典型的频谱搬移电路，它将接收装置(5)传来的信号作为主振信号，混频器(6)的主振信号的频率为f0+fdi，与高稳定信号源(11)提供的频率为f0‑fI的本振信号进行混频，采用选频回路选出频率为fdi+fI的中频信号；所述中频放大器(7)，对混频器(6)传来的中频信号进行功率放大，以便进行后续处理；所述正交相位检波器(8)，从中频放大器(7)传来的放大的中频信号中提取出多普勒频率fdi，得到的信号是频率为多普勒频率fdi的复信号；所述信号处理装置(9)，对正交相位检波器(8)传来的复信号进行FFT变换，并运用压缩感知得到目标(10)的强度信息和距离信息，即可到目标(10)的四维图像；所述高稳定信号源(11)，为发射装置(1)提供载频为f0的信号，为混频器6提供频率为f0‑fI的正弦本振信号，为正交相位检波器(8)提供频率为fI的相参基准信号；所述同步装置(12)，保证发射装置(1)发射光信号、数字微镜器件DMD(2)变换其上铝镜状态以及信号处理装置(9)对这一次采样得到的数据进行处理三者之间的同步进行。所述正交相位检波器(8)包括第一乘法器(30)，与第一乘法器(30)连接的第一低通滤波器(21)；第二乘法器(31)，与第二乘法器(31)连接的第二低通滤波器(22)；与第一乘法器(30)和第二乘法器(31)连接的移相器(20)。...
【技术特征摘要】
1.一种基于DMD的四维激光雷达成像装置，其特征在于：包括发射装置(1)，固定在发射装置(1)出光端的目标(10)，固定于目标(10)反射光路上的第一汇聚透镜(3)，固定于第一汇聚透镜(3)汇聚光路上的数字微镜器件DMD(2)，固定于数字微镜器件DMD(2)反射光路上的第二汇聚透镜(4)，固定于第二汇聚透镜(4)汇聚光路上的接收装置(5)；与接收装置(5)连接的混频器(6)，与混频器(6)连接的中频放大器(7)，与中频放大器(7)连接的正交相位检波器(8)，与正交相位检波器(8)连接的信号处理装置(9)；还包括与所述发射装置(1)、混频器(6)和正交相位检波器(8)连接的高稳定信号源(11)，与所述发射装置(1)、数字微镜器件DMD(2)和信号处理装置(9)连接的同步装置(12)；所述发射装置(1)，发射周期为T、脉冲宽度为t、初相为0的相参脉冲串光信号照在目标(10)上；所述数字微镜器件DMD(2)，依照压缩感知二值随机采样矩阵Φ的形式变换其上的铝镜状态，对目标(10)的反射光进行调制，压缩感知二值采样矩阵Φ的元素值即对应数字微镜器件DMD(2)的铝镜状态，当矩阵元素值为+1时，数字微镜器件DMD(2)对应位置的铝镜偏转+12°，将光信号反射到第二汇聚透镜4并传给接收装置(5)；当矩阵元素值为0时，数字微镜器件DMD(2)对应位置的铝镜偏转-12°，将其上的入射光反射到吸收平面进行入射光吸收；所述接收装置(5)，采用单点探测器，接收第二汇聚透镜(4)传来的光信号并转换为电信号以便后续处理；所述混频器(6)，是一种典型的频谱搬移电路，它将接收装置(5)传来的信号作为主振信号，混频器(6)的主振信号的频率为f0+fdi，与高稳定信号源(11)提供的频率为f0-fI的本振信号进行混频，采用选频回路选出频率为fdi+fI的中频信号；所述中频放大器(7)，对混频器(6)传来的中频信号进行功率放大，以便进行后续处理；所述正交相位检波器(8)，从中频放大器(7)传来的放大的中频信号中提取出多普勒频率fdi，得到的信号是频率为多普勒频率fdi的复信号；所述信号处理装置(9)，对正交相位检波器(8)传来的复信号进行FFT变换，并运用压缩感知得到目标(10)的强度信息和距离信息，即可到目标(10)的四维图像；所述高稳定信号源(11)，为发射装置(1)提供载频为f0的信号，为混频器6提供频率为f0-fI的正弦本振信号，为正交相位检波器(8)提供频率为fI的相参基准信号；所述同步装置(12)，保证发射装置(1)发射光信号、数字微镜器件DMD(2)变换其上铝镜状态以及信号处理装置(9)对...
【专利技术属性】
技术研发人员：孙剑，刘倩玉，徐飞，
申请(专利权)人：西安深穹光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61
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