壓縮感知LIDAR三維成像原理與方法研究

《壓縮感知LIDAR三維成像原理與方法研究》是依託北京理工大學，由柯鈞擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：壓縮感知LIDAR三維成像原理與方法研究
• 依託單位：北京理工大學
• 項目負責人：柯鈞
• 項目類別：青年科學基金項目

項目摘要

本項目將利用壓縮感知技術以及多次成像與數據處理相結合的超分辨方法實現高分辨、單元探測、無需掃描的LIDAR三維成像（Compressive LIDAR 3D imaging - C-LIDAR3D）。 C-LIDAR3D系統直接採集多目標點深度信息的線性組合，而非對每一目標點逐點掃描。為了實現高解析度，我們首先將分析影響系統解析度的因素，確定系統工作條件。在光路橫截面方向上，將使用機械移位裝置改變空間光調製器(SLM)及其上目標圖像間相對位置，形成SLM亞像素大小的移位距離。通過對多次移位後採集所得數據進行綜合處理，突破SLM像素對解析度的限制。在縱深方向上，同樣地利用多次數據採集超分辨原理，將直接採集不同延時後回波信號的線性組合。通過對多組測量值綜合處理，獲得高於採樣器件採樣速度限制的測距解析度。此外,將開展測量矩陣設計與恢復算法研究，搭建試驗驗證系統。

結題摘要

現有的雷射雷達成像技術主要為使用單元探測器基於掃描式的測距雷達和使用陣列式探測器基於飛行時間法的非掃描式測距雷達。前者獲取三維場景距離信息的時間長，而後者由於受到器件工藝和讀取速度的限制，很難獲得高解析度的陣列式探測器。為了使用單元探測器實現非掃描式的高分辨雷射雷達，學術界研究了採用壓縮感知的三維LIDAR成像技術。採用這一技術，系統使用空間光強調製後的脈衝光源照射目標物體，並使用恢復算法從系統測量值中重建目標的深度圖像。相較於現有的雷射雷達，壓縮感知雷射雷達的解析度得到提高，但是仍然受限於空間光調製器的解析度。為了進一步提高系統解析度，本項目開展了以下幾方面的研究工作，包括分析了目標形狀對於雷射雷達成像系統解析度的影響，驗證了採用亞像素位移方式實現高解析度壓縮感知雷射雷達測距成像和採用壓縮感知技術利用低頻寬探測器及低速ADC實現時間上的高解析度雷射雷達的可行性，以及實現了壓縮感知套用中二值測量矩陣的設計和壓縮感知恢復算法的並行加速。經過分析與實驗，本項目驗證了採用壓縮感知方法在時間域對雷射光源進行調製，可以降低探測器頻寬和ADC速度10倍，或者採用同樣的探測器和ADC提高系統在縱深方向上的解析度10倍。使用最佳化後的二值測量矩陣，系統的目標恢復性能與採用最優的灰度值PCA測量矩陣矩陣類似，同時還可以降低系統測量值的動態範圍30%左右。採用GPU加CUDA的並行實現方式，本項目獲得對OMP、TwIST、以及線性化快速Bregman三種算法10倍以上的加速。而對線性Wiener運算元加速後，恢復算法可在幾微秒內獲得1K×1K大小的目標估計。通過本項目研究，我們對壓縮感知雷射雷達理論方法與技術有更深入的了解。這對於推進該技術進一步向工業套用方向發展有重要意義。