[发明专利]一种时域超分辨压缩感知全波形激光雷达测距方法及装置

说明书

本发明涉及一种时域超分辨压缩感知全波形激光雷达测距方法及装置，具体涉及一种采用宽脉宽激光脉冲、低带宽电光调制器及探测设备的时域超分辨压缩感知全波形激光雷达测距方法及实现系统，属于传感器和测距领域。为了突破激光雷达系统对高带宽设备的依赖，本发明将压缩感知技术应用于全波形激光雷达信号采集与恢复，通过时域超分辨压缩感知技术突破激光雷达系统距离分辨率限制。本发明利用低带宽光强调制器，可采用宽脉宽脉冲激光光源、低带宽光电探测器、低带宽A/D转换器、以及小容量数据存储器实现超分辨率全波形激光雷达信号采集，并采用恢复算法获得最终全波形激光雷达信号。

技术领域

本发明涉及一种时域超分辨压缩感知全波形激光雷达测距方法及装置，具体涉及一种采用宽脉宽激光脉冲、低带宽电光调制器及探测设备的时域超分辨压缩感知全波形激光雷达测距方法及实现系统，属于传感器和测距领域。

背景技术

激光雷达技术经过几十年的发展，已经成为测距测量中的一种重要技术手段。其在获取近海海底地形地貌、森林植被分布、以及城市区域三维信息方面具有广泛应用。激光雷达技术中最典型的测距方法是通过计算激光脉冲往返于光源、目标和探测器之间的飞行时间(ToF-Time of Flight)实现单一位置的距离测量。第一代激光雷达将目标反射回波与光源参考脉冲通过相关器进行相关运算，再经过计数器测量相关结果中最大值的位置确定脉冲飞行时间，之后将这一飞行时间乘以光速获得目标点的距离信息。系统的测距精度由激光光源脉冲宽度、探测器带宽、系统接收端晶振以及计数器精度等因素确定。使用相关器的第一代激光雷达系统只能给出回波信号的最强位置，无法记录回波波形。随着探测器技术以及数据采集技术的发展，目前第三代全波形激光雷达技术(如图1)成为激光雷达发展的新方向。该技术采用高速数据采集设备记录回波信号的全波形。虽然这对于目标完整的三维信息采集以及后期的数据处理分析有重要意义，但是全波形激光雷达技术对于高速大容量数据采集存储设备的依赖，限制制约了它的广泛应用。为了解决这一问题，压缩感知技术被应用于激光雷达应用中。

压缩感知技术是近十年来学术界发展的前沿方向之一。利用信号的稀疏特性，压缩感知可以从很少的采集数据中恢复原始信号。在激光雷达应用中，由于激光雷达信号的稀疏性，适用于压缩感知。已有的相关研究主要包括，2011～2014年，Montana州立大学的Babbitt教授研究组提出对连续激光光源及回波信号进行高频调制并采用低带宽探测器采集调制后回波信号，进而恢复原始时域稀疏信号(如图2)。这一系统采用了压缩感知概念，但是该方法针对单一回波或少数几个回波脉冲信号，并未应用于全波形激光雷达。

在传统的激光雷达系统中，系统的距离分辨率由系统中的最小时间间隔Δt决定。这一最小时间间隔Δt为以下三个时间间隔中的最大数值：激光光源的脉宽Δt_pul，光电探测器带宽ΔB所定义采样间隔Δt_det，和A/D转换器定义采样间隔Δt_A/D。或者说Δt＝max{Δt_pul，Δt_det，Δt_A/D}。激光雷达系统的距离分辨率为Δd＝Δt×c/2，其中c为真空光速。为了减小系统距离分辨率，就需要缩短Δt，或者缩短Δt_pul，Δt_det，和Δt_A/D。而减小这三个时间间隔分别对应着缩短脉冲激光器脉宽、提高光电探测器和A/D转换器的带宽。这都对系统的成本提高了要求。

已有的采用压缩感知的激光雷达系统采用低带宽探测器和A/D转换器。但是，系统对光源脉宽仍保持高要求，或者系统需采用高带宽电光调制器(EOM)调制连续激光光源得到窄脉宽激光脉冲，即脉宽Δt_pul等于EOM带宽定义的采样间隔Δt_EOM。在这种情况下，系统的最小时间间隔Δt等于Δt_EOM，并且Δt_EOM大于Δt_det或者Δt_A/D。由此可见这一系统的距离分辨率由EOM的带宽决定。而高带宽的EOM并未解决系统的高成本问题。

发明内容