压缩扫描激光雷达制造技术

一种用于增加由来自照射光斑的接收光组成的图像的分辨率的方法，包括测量测量核A1至AM的y向量，其中M为所述测量核的数量，测量所述y向量包括：使用所述测量核A1至AM中的第j个测量核Aj对位于接收的反射场景光斑的返回路径中的可编程的N像素微镜或掩模进行编程；测量y，其中y为针对各距离单元ri的景物反射率f(α,β)与所述测量核Aj的内积，其中α和β分别为方位角和高度角；重复对所述可编程的N像素微镜或掩模进行编程并测量各测量核A1至AM的y向量；以及使用测得的所述y向量形成重建图像，其中形成所述重建图像包括使用压缩传感或Moore‑Penrose重建。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用本申请要求申请号为14/317,753、申请日为2014年6月27日的美国专利申请的权益和优先权，其全部内容以引用方式结合于此。本申请要求申请号为14/317,695、申请日为2014年6月27日的美国专利申请的权益和优先权，其全部内容以引用方式结合于此。关于联邦资助声明无
本公开涉及光探测和测距(LIDAR或激光雷达)，尤其涉及扫描激光雷达。
技术介绍
现有实时激光雷达系统一般包括两类。第一类由大型昂贵的机械扫描雷达系统(比如Velodyne-64,售自VelodyneLidar公司)构成。这样的机械扫描雷达系统采用大型旋转镜来扫描多个激光束并采用反射激光脉冲的飞行探测时间来测量沿不同波束方向的各光斑的距离(range)。第二类由闪光激光雷达构成，其借助各个脉冲照射整个场景并使用时间闸控(time-gated)光电二极管阵列来使反射光成像和测量各像素的距离。旋转镜激光雷达系统庞大、笨重且功率消耗大，并在高度方向的角度分辨率低，从而受到激光束的数量的限制，例如，受限于Velodyne-64激光雷达中的64道光束的限制。方位分辨率受到激光光斑尺寸的限制。闪光激光雷达系统测距受限，因为激光脉冲功率在整个场景传播，这大大减少了被物体反射以及被探测器孔捕捉的功率的量。此外，闪光激光雷达角度分辨率和视场受到探测器阵列中的时间闸控光电二极管的数量的限制。需要的是一种在尺寸、重量以及功率(SWAP)方面改善的激光雷达，其具有改善的视场(FOV)、距离分辨率以及角度分辨率。还需要一种能采用可变分辨率使三维场景的不同部分成像的激光雷达，从而可对最显著或最重要的兴趣区域进行高角度分辨率的成像并同时保持高帧率以及低计算负荷。本公开的实施例解决了这些需求以及其它需求。
技术实现思路
在此公开的第一实施例中，提供了一种用于增加由来自照射光斑的接收光形成的图像的分辨率的方法，包括：测量测量核A1至AM的y向量，其中M为所述测量核的数量，测量所述y向量包括：使用所述测量核A1至AM中的第j个测量核Aj对位于接收的反射场景光斑的返回路径中的可编程的N像素微镜或掩模进行编程；测量y，其中y为针对各距离单元(rangebin)ri的景物反射率f(α,β)与所述测量核Aj的内积，其中α和β分别为方位角和高度角；重复对所述可编程的N像素微镜或掩模进行编程并测量各测量核A1至AM的y；以及使用测得的所述y向量形成重建图像，其中形成所述重建图像包括使用压缩传感或Moore-Penrose重建。在此公开的另一实施例中，提供了一种雷达激光系统，包括：具有功率φo的发射光束的脉冲频率调制激光器；光学耦合于所述激光器的微镜，用于扫描横穿场景的发射光束，从而在所述场景中照射光斑；光电二极管探测器；耦合于所述光电二极管探测器并具有功率φ1o的部分所述发射光束；以及在从照射光斑反射的接收光的光路中的可编程的N像素镜或掩模阵列，所述可编程的N像素镜或掩模阵列光学耦合于所述光电二极管探测器。在此公开的另一实施中，提供了一种激光雷达，包括用于扫描场景和在所述场景中照射光斑的扫描激光器；用于探测从所述场景反射的接收光的光电二极管探测器；在反射的接收光的光路中的可编程的N像素镜或掩模阵列，所述可编程的N像素镜或掩模阵列光学耦合于所述光电二极管探测器；以及用于形成重建图像的工具，所述形成重建图像包括压缩传感或Moore-Penrose重建。通过下述详细说明和附图，这些以及其它特征和优点将变得更加明显。在附图和说明书中的标记指代各种特征，相同标记指代所有附图和说明书中相同特征。附图说明图1示出了根据(L&P628659-9)的扫描激光雷达，其中角度分辨率受到激光光斑散度的限制；图2示出了根据本公开的扫描激光雷达，其中通过使用压缩传感使角度分辨率提高N倍；图3示出了根据本公开的压缩传感扫描激光雷达架构；图4示出了根据本公开的形成场景光斑和测量核的内积的过程。图5A示出了发射的激光束和接收的反射场景光斑的频率，图5B示出了根据本公开的与接收的反射场景相应的发射激光束差拍(beat)的差拍频率(beatfrequency)；以及图6示出了根据本公开的3D场景帧的重建的处理流程。具体实施方式下述描述中，大量具体细节用于清楚描述在此公开的各实施例。本领域技术人员将理解到：所要求保护的专利技术的实施可以不必使用所有以下具体细节。在其它实例中，为了不使本专利技术晦涩难懂，对于公知的特征没有进行描述。本公开为小型和低成本的实时激光雷达传感系统，其利用了扫描激光束、可编程的微镜阵列、使用单个光电二极管进行探测并使用压缩传感方法来感应场景的3D表达并具有大视场以及不受激光光斑尺寸限制的角度分辨率。通过将成像光斑划分成多个区域从而也可使用多个光电二极管，并且每个区域使用一个光电二极管从而通过并行计算来加速处理。该方法也可使用可变的角度分辨率使3D场景的不同部分成像，从而实现最显著或重要的感兴趣区域的高分辨率成像并同时保持高帧率和低计算负荷。压缩传感已被Richard.Baraniuk在“CompressiveSensing”描述，见2007年7月份的IEEE信号处理杂志第118-120页和第124页，其全部内容如附录A所示结合于此(从本说明书的第17页开始)。根据本公开的激光雷达的SWAP和成本比现有旋转镜系统要小得多并且角度分辨率和视场比现有基于成像探测器阵列的闪光激光雷达系统要大得多。分辨率也可以与场景中的不同的感兴趣区域相适应，从而大大增加了系统的光学效率和计算效率。本公开的压缩传感激光雷达兼具机械扫描镜系统的光效率和大视场并在方位、高度以及距离三个维度上都具有3D场景的高分辨率重建，并且全部实现在基于微镜阵列技术和压缩传感重建方法的紧凑且低成本的封装内。通过使用频率调制连续波(FMCW)调制以及使用结合了压缩传感重建算法的单个光电二极管的外差探测，可以感测3D场景且角度分辨率不受激光光斑尺寸或探测器元件的数量的限制。申请序列号为14/317,695、申请日为2014年6月27日的美国专利申请(其全文以引用的方式结合于此)描述了一种微电机械系统(MEMS)微镜扫描激光雷达系统，其作为现有实时激光雷达系统的一种低沉本和低SWAP的替代。该扫描激光雷达系统的操作如图1所示。该系统利用扫描激光器12、激光器的频率调制连续波(FMCW)调制、单个光电二极管14以及FMCW调制的相干探测16来测量目标的各个3D(三维)分辨单元的距离。使用双轴微镜在方位和高度上同步扫描传输的激光脉冲以及接收器孔隙，从而使信噪比(SNR)最大化。如图1所示，MEMS扫描镜系统的角度分辨率受到激光光斑散度的限制。对于0.2度的典型激光散度18来说，在距离50m处将产生直径20cm的光斑20。虽然这足以检测行人的物体尺寸大小，例如物体识别之类的许多应用需要在较大距离位置具有更高的分辨率。图2示出了根据本公开的使用压缩传感的扫描激光器。在接收器孔隙中使用可编程的N镜MEMS镜阵列或可编程的N像素掩模(mask)26，从而使用如图1所描述的相同基本结构来执行压缩测量。N镜MEMS镜阵列或可编程的N像素掩模26可作为MEMS而实施。通过利用非线性压缩传感重建方法，在可分辨的方位角和高度角的数量本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于增加由来自照射光斑的接收光形成的图像的分辨率的方法，包括：测量测量核A1至AM的y向量，其中M为所述测量核的数量，测量所述y向量包括：使用所述测量核A1至AM中的第j个测量核Aj对位于接收的反射场景光斑的返回路径中的可编程的N像素微镜或掩模进行编程；测量y，其中y为针对各距离单元ri的景物反射率f(α,β)与所述测量核Aj的内积，其中α和β分别为方位角和高度角；重复对所述可编程的N像素微镜或掩模进行编程并测量各测量核A1至AM的y向量；以及使用测得的所述y向量形成重建图像，其中形成所述重建图像包括使用压缩传感或Moore‑Penrose重建。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于增加由来自照射光斑的接收光形成的图像的分辨率的方法，包括：测量测量核A1至AM的y向量，其中M为所述测量核的数量，测量所述y向量包括：使用所述测量核A1至AM中的第j个测量核Aj对位于接收的反射场景光斑的返回路径中的可编程的N像素微镜或掩模进行编程；测量y，其中y为针对各距离单元ri的景物反射率f(α,β)与所述测量核Aj的内积，其中α和β分别为方位角和高度角；重复对所述可编程的N像素微镜或掩模进行编程并测量各测量核A1至AM的y向量；以及使用测得的所述y向量形成重建图像，其中形成所述重建图像包括使用压缩传感或Moore-Penrose重建。2.根据权利要求1所述的方法，其中测量y包括：使用具有频率调制连续波FMCW调制的光源照射所述光斑：使用FMCW相干探测；以及使用傅立叶分析。3.根据权利要求1所述的方法，其中形成重建图像包括：如果M小于N，并且如果θ为充分稀疏，则使用压缩传感采用L1范数来重建f：θ^=argminθ(||y-ADθ||22+α||θ||1)]]>f^=Dθ^]]>其中，D包括字典D，θ包括相应系数。4.根据权利要求1所述的方法，其中形成重建图像包括：如果M大于或等于N，使用矩阵A的Moore-Penrose逆来重建ff^=A+y]]>其中A+＝(AHA)-1AH。5.根据权利要求1所述的方法，其中所述照射光斑由扫描激光器照射，且其中所述方法还包括：扫描所述激光器；以及为每个被所述激光器照射的光斑重复形成重建图像；其中测量y还包括：从所述扫描激光器发射具有三角形频率调制连续波FMCW的激光束；将所述发射的激光束的一部分与所述接收光在光电二极管探测器混合从而进行相干探测；其中所述扫描激光器包括扫描微镜；且其中所述可编程的N像素微镜与所述扫描微镜同步从而保持所述接收光对焦在光电二极管探测器上。6.根据权利要求1所述的方法，还包括：使用激光器照射所述照射光斑；以及使用光电二极管探测器探测所述接收光；其中光电二极管输出电流为：i(t)=S(Φlo+yΦo+2yΦloΦocos(ωbt+φ))+ib]]>其中y为景物反射率f(α,β)与测量核Aj的内积，φo为输出激光功率；φ1o为本机振荡器功率，ωb为所述激光器和所述接收光之间的差拍，φ为所述激光器和所述返回光之间的相位差，S为二极管响应率，ib为二极管偏置电流，并且t为时间。7.根据权利要求2所述的方法，还包括：使用以下方程式确定所述照射光斑的目标分量的参数，包括各目标分量的距离Ra、距离不确定度△Ra以及速度vt：fR=f1+f22=4RaΔfcTmod]]>fD=f2-f12=2vtλ]]>ΔRa=c2Δf;]]>其中，f1为照射所述光斑的源的频率，f2为所述接收光的频率。8.根据权利要求1所述的方法，其中：各测量核Aj为二元的。9.根据权利要求1所述的方法，其中：所述N像素微镜或掩模中的各像素可以设置为开启从而使所述接收光通过至光电二极管探测器，或者设置为关闭从而阻挡所述接收光到达所述光电二极管探测器；并且还包括：随着时间来调制所述N像素微镜或掩模中的像素为开启或关闭；以及在光电探测器二极管中将所述N像素微镜或掩模中的像素的通过的或阻挡的接收光进行整合，从而提供多值测量核。10.根据权利要求1所述的方法，还包括：使方位和高度角分辨率适应于照射光斑，从而优化兴趣区域的分辨率并更新速率，包括：通过对所述可编程的N像素微镜或掩模进行编程来改变有效的可编程的N像素微镜或掩模分辨率，从而有效地减小N；以及改变测量M的次数。11.一种激光雷达系统，包括：具有功率为φo的发射光束的脉冲频率调制激光器；与所述激光器光学耦合的微镜，用于扫描穿过场景的所述发射光束，从而在所述场景中照射光斑；光电二极管探测器；耦合于所述光电二极管探测器并具有功率φ1o的所述发射光束的一部分；以及位于从照射光斑反射的接收光的光路中的可编程的N像素镜或掩模阵列，所述可编程的N像素镜或掩模阵列光学耦合于所述光电二极管探测器。12.根据权利要求11所述的系统，还包括：用于测量测量核A1至AM的y向量的工具，其中M为所述测量核的数量，所述用于测量所述y向量的所述工具包括：用于使用所述测量核A1至AM中的第j个测量核Aj对所述可编程的N像素微镜或掩模进行编程的工具；用于测量y的工具，其中y为针对各距离单元ri的景物反射率f(α,β)与所述测量核Aj的内积，其中α和β分别为方位角和高度角；用于重复对所述可编程的N像素微镜或掩模进行编程以及测量各测量核A1至AM的y的工具；以及用于使用测得的所述y向量形成重建...

【专利技术属性】
技术研发人员：Y·欧威斯克，
申请(专利权)人：HRL实验室有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US