一种基于时间切片型压缩感知三维成像雷达的信号增强方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于时间切片型压缩感知三维成像雷达的信号增强方法及装置，首先生成一个M

【技术实现步骤摘要】
一种基于时间切片型压缩感知三维成像雷达的信号增强方法及装置


[0001]本专利技术涉及激光三维成像
，尤其涉及一种基于时间切片型压缩感知三维成像雷达的信号增强方法及装置。

技术介绍

[0002]非扫描激光三维成像雷达根据测距原理的不同，分为直接测距型和间接测距型。其中，直接测距型激光三维成像雷达的核心器件为可以直接测量光子飞行时间的阵列探测器。基于APD阵列探测器的激光三维成像雷达的优势主要在于其灵敏度高，可以工作在很低的信号电平，且可以进行多目标探测。其缺点在于器件的发展受到整体工业水平的限制，研究进展比较缓慢，因此目前无法达到较高的分辨率。
[0003]近年来兴起的基于压缩感知理论的单像素成像方法为低分辨率成像器件获取高分辨率图像提供了新的途径，其引入空间光调制器对出射光的空间分布或目标的像进行调制，由单像素探测器采集总的回波能量，通过不断变换调制模板并采集对应的回波脉冲，最终经过重构计算得到目标图像。通过这一方法获得图像的空间分辨率不再受到探测器件的限制，而取决于空间光调制器本身。此外，基于压缩感知理论的单像素成像方法能够在远低于奈奎斯特采样速率要求的情况下，从随机测量信号中重构出目标图像，达到显著降低重构目标所需测量数据量的目的，从而进一步降低系统的存储压力并提升采集速度。但由于单像素探测器在单次测量中仅能获取到一个回波波形，无法直接得到整个目标的距离信息，故传统的单像素成像方法仅能得到目标的二维图像，因此如何从多次测量的回波信号中提取出目标的距离信息，成为了单像素三维成像领域亟需解决的关键问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种基于时间切片型压缩感知三维成像雷达的信号增强方法及装置，该方法及装置能够解决现有压缩感知三维成像技术在噪声环境下重构精度低、图像质量差的问题，使时间切片型压缩感知三维成像雷达在窄脉冲条件和噪声环境下能稳定提取回波信息，增强系统对目标场景的重构能力，实现高质量的三维成像。
[0005]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
[0006]一种基于时间切片型压缩感知三维成像雷达的信号增强方法，所述方法包括：
[0007]步骤1、首先生成一个M
×
N维的随机二值矩阵Φ作为压缩采样的测量矩阵，将测量矩阵的第i行作为调制模板，其中i＝1,2,
…
,M；M为测量矩阵行数，是小于N的任意数值；N为测量矩阵列数，等于所采用空间光学调制器的像素数；
[0008]步骤2、使用激光光源照射目标区域，将反射光经调制模板调制后的回波信号作为采样矩阵Y的第i行，重复采样调制直至完成所述测量矩阵中所有行的投影，得到采样矩阵Y；
[0009]步骤3、抽取所述采样矩阵Y的第j列，生成对应时间切片下的压缩采样向量y；
[0010]步骤4、计算所述压缩采样向量y与所述测量矩阵每一列的协方差，得到压缩采样协方差向量；
[0011]步骤5、计算所述测量矩阵的每一列与所有列之间的协方差，得到协方差测量矩阵；
[0012]步骤6、针对所述采样矩阵Y内每一个时间切片的压缩采样协方差向量，基于压缩感知二位重构算法通过协方差测量矩阵对每一个时间切片的二维图像进行重构；
[0013]步骤7、将所有时间切片重构后的二维图像拼接为完整的三维图像，实现对整幅三维图像的信号增强。
[0014]一种基于时间切片型压缩感知三维成像雷达的信号增强装置，所述装置包括激光光源、光束整形系统、接收光学系统、光电探测器、空间光学调制器、处理器和存储器，其中：
[0015]所述激光光源输出具有固定脉宽的激光脉冲，经所述光束整形系统进行准直扩束和均匀化照明整形后照射到待成像的目标区域；
[0016]目标区域反射的激光回波经所述接收光学系统聚焦和所述空间光学调制器进行调制后照射到所述光电探测器上；其中，所述空间光学调制器进行调制的过程为：通过生成一个M
×
N维的随机二值矩阵Φ作为压缩采样的测量矩阵，将测量矩阵的第i行作为调制模板，其中i＝1,2,
…
,M；激光回波经调制模板调制后的回波信号为采样矩阵Y的第i行，经过重复采样调制所述测量矩阵中所有行的投影，得到采样矩阵Y；
[0017]所述光电探测器将获取的回波信号发送给所述处理器，由所述处理器对回波信号进行信号增强计算；
[0018]其中，所述处理器对回波信号进行信号增强计算的过程为：首先抽取所有回波信号，即采样矩阵Y的第j列，生成对应时间切片下的压缩采样向量y；计算所述压缩采样向量y与所述测量矩阵每一列的协方差，得到压缩采样协方差向量；再计算所述测量矩阵的每一列与所有列之间的协方差，得到协方差测量矩阵；针对所述采样矩阵Y内每一个时间切片的压缩采样协方差向量，基于压缩感知二位重构算法通过协方差测量矩阵对每一个时间切片的二维图像进行重构；最后将所有时间切片重构后的二维图像拼接为完整的三维图像，实现对整幅三维图像的信号增强；
[0019]所述存储器用于对所述光电探测器的回波信号进行数据存储。
[0020]由上述本专利技术提供的技术方案可以看出，上述方法及装置能够解决现有压缩感知三维成像技术在噪声环境下重构精度低、图像质量差的问题，使时间切片型压缩感知三维成像雷达在窄脉冲条件和噪声环境下能稳定提取回波信息，增强系统对目标场景的重构能力，实现高质量的三维成像。
附图说明
[0021]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
[0022]图1为本专利技术实施例提供的基于时间切片型压缩感知三维成像雷达的信号增强方法流程示意图；
[0023]图2为本专利技术实施例所述装置的结构示意图。
具体实施方式
[0024]下面结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例，这并不构成对本专利技术的限制。基于本专利技术的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术的保护范围。
[0025]如图1所示为本专利技术实施例提供的基于时间切片型压缩感知三维成像雷达的信号增强方法流程示意图，所述方法包括：
[0026]步骤1、首先生成一个M
×
N维的随机二值矩阵Φ作为压缩采样的测量矩阵，将测量矩阵的第i行作为调制模板，其中i＝1,2,
…
,M；M为测量矩阵行数，是小于N的任意数值，取决于人为设定的压缩采样率；N为测量矩阵列数，等于所采用空间光学调制器的像素数；
[0027]在该步骤中，本实施例中的测量矩阵为随机二值矩阵，其仅为满足压缩感知理论要求的测量矩阵的一种具体形式，具有相同或类似方式的随机高斯矩阵、Toeplitz循环矩阵等测量矩阵仍本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于时间切片型压缩感知三维成像雷达的信号增强方法，其特征在于，所述方法包括：步骤1、首先生成一个M
×
N维的随机二值矩阵Φ作为压缩采样的测量矩阵，将测量矩阵的第i行作为调制模板，其中i＝1,2,
…
,M；M为测量矩阵行数，是小于N的任意数值；N为测量矩阵列数，等于所采用空间光学调制器的像素数；步骤2、使用激光光源照射目标区域，将反射光经调制模板调制后的回波信号作为采样矩阵Y的第i行，重复采样调制直至完成所述测量矩阵中所有行的投影，得到采样矩阵Y；步骤3、抽取所述采样矩阵Y的第j列，生成对应时间切片下的压缩采样向量y；步骤4、计算所述压缩采样向量y与所述测量矩阵每一列的协方差，得到压缩采样协方差向量；步骤5、计算所述测量矩阵的每一列与所有列之间的协方差，得到协方差测量矩阵；步骤6、针对所述采样矩阵Y内每一个时间切片的压缩采样协方差向量，基于压缩感知二位重构算法通过协方差测量矩阵对每一个时间切片的二维图像进行重构；步骤7、将所有时间切片重构后的二维图像拼接为完整的三维图像，实现对整幅三维图像的信号增强。2.根据权利要求1所述基于时间切片型压缩感知三维成像雷达的信号增强方法，其特征在于，在步骤1中，行数M小于列数N，其比值M/N为压缩感知理论中的压缩采样率。3.根据权利要求1所述基于时间切片型压缩感知三维成像雷达的信号增强方法，其特征在于，所述步骤4的过程具体为：抽取所述测量矩阵的第k列φ
k
，计算所述压缩采样向量y与φ
k
的协方差，表示为：重复计算直至所述压缩采样向量y与所述测量矩阵的所有列的协方差均计算完成，得到压缩采样协方差向量y
cov
。4.根据权利要求1所述基于时间切片型压缩感知三维成像雷达的信号增强方法，其特征在于，在步骤5中，计算所述测量矩阵的每一列与所有列之间的协方差，得到协方差测量矩阵Φ
cov
，表示为：其中，φ
j
代表测量矩阵的第j列，j＝1,2,...,N；cov代表取协方差。5.根据权利要求1所述基于时间切片型压缩感知三维成像雷达的信号增强方法，其特征在于，在步骤6中，通过压缩感知二位重构算法对y
cov
＝Φ
cov
x求解，得到对应时间切片下的二维重构图像x；其中，y
cov

【专利技术属性】
技术研发人员：高寒，张桂峰，黄旻，钱路路，赵益昕，王光明，
申请(专利权)人：中国科学院空天信息创新研究院，
类型：发明
国别省市：