CN111239740A - 一种去除射线噪声的方法及设备 - Google Patents

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CN111239740A CN202010067541.1A CN202010067541A CN111239740A CN 111239740 A CN111239740 A CN 111239740A CN 202010067541 A CN202010067541 A CN 202010067541A CN 111239740 A CN111239740 A CN 111239740A
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苏仲岳
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Abstract

本申请的目的是提供一种去除射线噪声的方法及设备，本申请通过获取多个雷达回波信号，根据所述多个雷达回波信号确定三维回波图像；对所述三维回波图像进行拆分，拆分为以指定维度为序列的图像帧；根据所述图像帧及帧间结构相似指数的阈值确定噪声帧；根据所述噪声帧在所述多个雷达回波信号中删除射线噪声点，得到去噪回波序列；根据反距离权重插值算法补充所述去噪回波序列中被删除的位置。从而通过将雷达回波信号进行维度的拆分，利用图像特征识别的方法提取，判断射线噪声位置以及补充噪声缺失的数据，有效识别噪声帧和非噪声帧的区别，可以批量去除噪声且计算复杂度低。

Description

一种去除射线噪声的方法及设备
技术领域
本申请涉及计算机领域，尤其涉及一种去除射线噪声的方法及设备。
背景技术
随着遥感科技的发展，雷达已经成为了地面探测天气情况的重要手段。多普勒天气雷达是一种新型雷达，它利用降水回波频率与发射频率之间的变化的多普勒效应来测定降水粒子的径向运动速度，并通过这种速度信息图测风速分布、垂直气流速度、大气湍流、降水粒子谱分布、降水中特别是强对流降水中的风场结构特征。雷达探测的反射信号称为雷达回波，雷达探测的信号强弱及结构反应了天气及降水的结构。
通过对于雷达水平回波图的演变过程随着时间的外推，不难得到对于未来天气演变规律的预报，这样的过程一般被称为是临近预报。由于雷达回波数据容易受到非气象物质的影响，比如飞鸟、飞机、建筑物等，会产生非气象回波；另一方面，由于探测设备故障，也会产生噪声。如何消除或降低这些噪声，是临近预报领域急需解决的问题。
发明内容
本申请的一个目的是提供一种去除射线噪声的方法及设备，解决现有技术中消除或降低雷达回波信号中噪声的问题。
根据本申请的一个方面，提供了一种去除射线噪声的方法，该方法包括：
获取多个雷达回波信号，根据所述多个雷达回波信号确定三维回波图像；
对所述三维回波图像进行拆分，拆分为以指定维度为序列的图像帧；
根据所述图像帧及帧间结构相似指数的阈值确定噪声帧；
根据所述噪声帧在所述多个雷达回波信号中删除射线噪声点，得到去噪回波序列；
根据反距离权重插值算法补充所述去噪回波序列中被删除的位置。
进一步地，根据所述多个雷达回波信号确定三维回波图像，包括：
将所述多个雷达回波信号中时间等间距连续的雷达回波信号进行合并，得到三维回波图像。
进一步地，根据所述图像帧及帧间结构相似指数的阈值确定噪声帧，包括：
确定每一图像帧与相邻图像帧的结构相似指数，根据所述结构相似指数以及帧间结构相似指数的阈值确定噪声帧。
进一步地，所述雷达回波信号中每一帧数据为矩阵数据，所述矩阵数据包括x轴上数据和y轴上数据，其中，x轴表示射线上的长度，y轴表示扫描方位角，所述三维回波图像包括x轴、y轴和t轴，其中，所述t轴表示将多个雷达回波信号进行合并后的时间轴；
其中，对所述三维回波图像进行拆分，拆分为以指定维度为序列的图像帧包括：
将所述三维回波图像的y轴作为序列标记，重新拆分所述三维回波图像，得到以y轴为序列的图像帧。
进一步地，确定每一图像帧与相邻图像帧的结构相似指数之前，包括：
将第一个图像帧标记为所述y轴上最后一个图像帧的下一帧；和/或，将最后一个图像帧标记为所述y轴上第一个图像帧的上一帧。
进一步地，确定每一图像帧与相邻图像帧的结构相似指数，包括：
将所述y轴上扫描方位角为359的下一帧标记为第一帧；和/或，
将所述y轴上扫描方位角为0的上一帧标记为最后一帧；
计算以所述y轴为序列的每一图像帧与相邻图像帧的结构相似指数。
进一步地，根据所述图像帧及帧间结构相似指数的阈值确定噪声帧之后，包括：
在以所述指定维度为序列的图像帧中标记所述噪声帧；
从未标记的图像帧中选取目标点，其中，所述目标点距离原点的距离在预设距离阈值内；
根据所述目标点及反距离权重插值算法确定插入值，将所述插入值补充至所述去噪回波序列中被删除的位置。
根据本申请又一个方面，还提供了一种去除射线噪声的设备，该设备包括：
确定装置，用于获取多个雷达回波信号，根据所述多个雷达回波信号确定三维回波图像；
拆分装置，用于所述三维回波图像进行拆分，拆分为以指定维度为序列的图像帧；
识别装置，用于根据所述图像帧及帧间结构相似指数的阈值确定噪声帧；
去噪装置，用于根据所述噪声帧在所述多个雷达回波信号中删除射线噪声点，得到去噪回波序列；
插值装置，用于根据反距离权重插值算法补充所述去噪回波序列中被删除的位置。
根据本申请另一个方面，还提供了一种去除射线噪声的设备，该设备包括：
一个或多个处理器；以及
存储有计算机可读指令的存储器，所述计算机可读指令在被执行时使所述处理器执行如前述所述方法的操作。
根据本申请再一个方面，还提供了一种计算机可读介质，其上存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令可被处理器执行以实现如前述所述的方法。
与现有技术相比，本申请通过获取多个雷达回波信号，根据所述多个雷达回波信号确定三维回波图像；对所述三维回波图像进行拆分，拆分为以指定维度为序列的图像帧；根据所述图像帧及帧间结构相似指数的阈值确定噪声帧；根据所述噪声帧在所述多个雷达回波信号中删除射线噪声点，得到去噪回波序列；根据反距离权重插值算法补充所述去噪回波序列中被删除的位置。从而通过将雷达回波信号进行维度的拆分，利用图像特征识别的方法提取，判断射线噪声位置以及补充噪声缺失的数据，有效识别噪声帧和非噪声帧的区别，可以批量去除噪声且计算复杂度低。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1示出根据本申请的一个方面提供的一种去除射线噪声的方法流程示意图；
图2示出本申请又一个方面提供的一种去除射线噪声的设备的结构示意图。
附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步详细描述。
在本申请一个典型的配置中，终端、服务网络的设备和可信方均包括一个或多个处理器(例如中央处理器(Central Processing Unit，CPU))、输入/输出接口、网络接口和内存。
内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RandomAccess Memory，RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(Read Only Memory，ROM)或闪存(flash RAM)。内存是计算机可读介质的示例。
计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(Phase-Change RAM，PRAM)、静态随机存取存储器(Static Random Access Memory，SRAM)、动态随机存取存储器(Dynamic RandomAccess Memory，DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory，EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(Compact Disc Read-Only Memory，CD-ROM)、数字多功能光盘(Digital Versatile Disk，DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括非暂存电脑可读媒体(transitorymedia)，如调制的数据信号和载波。
图1示出根据本申请的一个方面提供的一种去除射线噪声的方法流程示意图，该方法包括：步骤S11～步骤S15，
在步骤S11中，获取多个雷达回波信号，根据所述多个雷达回波信号确定三维回波图像；在此，读取多个雷达回波信号，本申请的雷达回波信号以雷达PPI(Plane PositionIndictor，平面位置显示器)数据为例，每一帧数据表示某个时刻的雷达扫描一圈后接收到的回波信号。其中，所述雷达回波信号中每一帧数据为矩阵数据，所述矩阵数据包括x轴上数据和y轴上数据，其中，x轴表示射线上的长度，y轴表示扫描方位角。具体地，使用一组矩阵记录每个方向射线上不同距离的点的温度，其中，y轴为0-360度的方位角，x轴为距离，该距离里的值为温度；以原点为起点在每个方向上的数据以二维矩阵的形式进行记录。利用读取到的PPI数据，进行合并，合并为一个矩阵，该矩阵为三维回波图像。
在步骤S12中，对所述三维回波图像进行拆分，拆分为以指定维度为序列的图像帧；在此，合并后的三维回波图像为一个矩阵，对该矩阵按照指定的维度进行重新拆分，完成时空特征的分离，拆分为以该指定维度为序列的图像帧。
接着，在步骤S13中，根据所述图像帧及帧间结构相似指数的阈值确定噪声帧；在此，计算图像帧之间的结构相似指数(Structural similarity index，SSIM)，设定帧间结构相似指数的阈值，从而筛选出噪声帧，如SSIM突然减小，相邻图像帧之间的SSIM超过了预设的阈值，则可将使得SSIM指数突然减小的帧标记为噪声帧。
随后，在步骤S14中，根据所述噪声帧在所述多个雷达回波信号中删除射线噪声点，得到去噪回波序列；在此，利用标记的噪声帧在原有的雷达回波信号中找到产生射线噪声的位置，删除产生噪声位置处的射线噪声点，得到去噪回波序列。从而在步骤S15中，根据反距离权重插值算法补充所述去噪回波序列中被删除的位置。在此，利用反距离权重插值算法对去噪回波序列中被删除的位置补充计算得到的值，补充噪声缺失的数据，从而得到完善的去噪后的雷达回波信号。
在本申请一实施例中，在步骤S11中，将所述多个雷达回波信号中时间等间距连续的雷达回波信号进行合并，得到三维回波图像。在此，将多个雷达回波信号中时间等间距连续的PPI数据合并为一个矩阵，在本申请实施例中，可以使用40帧的数据进行合并，得到三维回波图像；其中，所述三维回波图像包括x轴、y轴和t轴，其中，所述t轴表示将多个雷达回波信号进行合并后的时间轴；在此，原有帧的像素为100×100的矩阵，则将40帧进行合并后，成为40×100×100的高维矩阵，时间轴上相邻的雷达回波都有一样的大小，即探测到的数据总和为一样，合并后的坐标轴标记为t轴。接着，对所述三维回波图像进行拆分时可以将所述三维回波图像的y轴作为序列标记，重新拆分所述三维回波图像，得到以y轴为序列的图像帧。在此，将合并得到的三维回波图像的y轴作为序列标记，重新拆分该图像，如在y＝0时可以得到x与t关系的剖面图，按照标记的序列得到所有得到x与t关系的剖面图，从而得到以y轴为序列的图像帧。
接着，在步骤S13中，确定每一图像帧与相邻图像帧的结构相似指数，根据所述结构相似指数以及帧间结构相似指数的阈值确定噪声帧。在此，需要计算每一帧用于相邻帧之间的SSIM指数，并设定阈值，从而识别出噪声帧。计算每一帧用于相邻帧之间的SSIM指数之前，需要将第一个图像帧标记为所述y轴上最后一个图像帧的下一帧；和/或，将最后一个图像帧标记为所述y轴上第一个图像帧的上一帧。在此，重新拆分所述三维回波图像，得到以y轴为序列的图像帧，对y轴上的图像帧进行定位，可以标记第一帧的上一帧为最后一帧，还可以将最后一帧的下一帧为第一帧；即将第一帧标记为y轴上最后一帧的下一帧，还可以是将最后一帧标记为所述y轴上第一帧的上一帧。
具体地，将所述y轴上扫描方位角为359的下一帧标记为第一帧；和/或，将所述y轴上扫描方位角为0的上一帧标记为最后一帧；计算以所述y轴为序列的每一图像帧与相邻图像帧的结构相似指数。在此，在方位角最大为360度，以间距为1度进行划分帧数时，可以将y＝359的左右两帧标记为y＝0以及y＝358，则当前的每一帧都可以定义左右帧，从而计算以y为序列的每一帧与相邻帧的SSIM指数，求每一帧与相邻帧SSIM指数表化差异，设定阈值，从而识别出噪声帧。需要说明的是，上述按照设定的角度间距划分帧数仅为举例，还可以按照其他方式进行划分，比如，若以间距为0.5度进行划分帧数时，则还可以有720帧，此时可以将y＝359.5的左右两帧标记为y＝0以及y＝359，即第一帧为y＝0，最后一帧为y＝359.5。
在本申请一实施例中，根据所述图像帧及帧间结构相似指数的阈值确定噪声帧之后，可以在以所述指定维度为序列的图像帧中进行标记所述噪声帧；从未被标记的图像帧中选取目标点，其中，所述目标点距离原点的距离在预设距离阈值内。在此，对以y轴为序列的图像帧中标记出噪声帧，得到以y为轴的每一帧的噪声标记后，从未被标记的图像帧中选取出目标点，该目标点用于计算因噪声丢失的数据，将计算出的数据补充到被删除的位置，其中，目标点是要距离原点在预设距离阈值内，即插值使用x轴及t轴上一定距离以内的点，该距离由一组阈值控制，插值过程中只使用未被标记为噪声的点，噪声点的权重为0。
在本申请一实施例中，可以根据所述目标点及反距离权重插值算法确定插入值，将所述插入值补充至所述去噪回波序列中被删除的位置。在此，选出插值使用的x轴上以及t轴上符合要求的目标点，使用反距离权重插值算法就算插入值，将计算得到的插入值补充至去噪回波序列中对应的被删除的位置，从而完善因噪声带来的数据丢失。其中，反距离权重插值算法也为倒数距离加权插值或“Shepard方法”，设有n个点，平面坐标为(xi,yi)，垂直高度为zi，i＝1,2，……，n，倒数距离加权插值的插值函数为：
Figure BDA0002376413690000081
其中，
Figure BDA0002376413690000082
是(x,y)点到(xj,yj)点的水平距离，j＝1,2……,n。p是一个大于0的常数，称为加权幂指数；
Figure BDA0002376413690000083
是z1，z2，……，zn的加权平均。
通过本申请所述的去除射线噪声的方法，可以避免采用了繁琐的信号分解系统等，且采用SSIM指数可以有效识别噪声帧和非噪声帧的区别，同时该方法可以批量去除噪声，如本申请实施例中使用40帧时，可以40帧同时去掉，且计算复杂度低。
此外，本申请实施例还提供了一种计算机可读介质，其上存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令可被处理器执行以实现前述一种去除射线噪声的方法。
与上文所述的方法相对应的，本申请还提供一种去除射线噪声的终端，其包括能够执行上述图1或各个实施例所述的方法步骤的模块或单元，这些模块或单元可以通过硬件、软件或软硬结合的方式来实现，本申请并不限定。例如，在本申请一实施例中，还提供了一种去除射线噪声的设备，所述设备包括：
一个或多个处理器；以及
存储有计算机可读指令的存储器，所述计算机可读指令在被执行时使所述处理器执行如前述所述方法的操作。
例如，计算机可读指令在被执行时使所述一个或多个处理器：
获取多个雷达回波信号，根据所述多个雷达回波信号确定三维回波图像；
对所述三维回波图像进行拆分，拆分为以指定维度为序列的图像帧；
根据所述图像帧及帧间结构相似指数的阈值确定噪声帧；
根据所述噪声帧在所述多个雷达回波信号中删除射线噪声点，得到去噪回波序列；
根据反距离权重插值算法补充所述去噪回波序列中被删除的位置。
图2示出本申请又一个方面提供的一种去除射线噪声的设备的结构示意图，所述设备包括：确定装置11、拆分装置12、识别装置13、去噪装置14及插值装置15，其中，确定装置11用于获取多个雷达回波信号，根据所述多个雷达回波信号确定三维回波图像；拆分装置12用于所述三维回波图像进行拆分，拆分为以指定维度为序列的图像帧；识别装置13用于根据所述图像帧及帧间结构相似指数的阈值确定噪声帧；去噪装置14用于根据所述噪声帧在所述多个雷达回波信号中删除射线噪声点，得到去噪回波序列；插值装置15用于根据反距离权重插值算法补充所述去噪回波序列中被删除的位置。
需要说明的是，确定装置11、拆分装置12、识别装置13、去噪装置14及插值装置15执行的内容分别与上述步骤S11、S12、S13、S14及S15中的内容相同或相应相同，为简明起见，在此不再赘述。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
需要注意的是，本申请可在软件和/或软件与硬件的组合体中被实施，例如，可采用专用集成电路(ASIC)、通用目的计算机或任何其他类似硬件设备来实现。在一个实施例中，本申请的软件程序可以通过处理器执行以实现上文所述步骤或功能。同样地，本申请的软件程序(包括相关的数据结构)可以被存储到计算机可读记录介质中，例如，RAM存储器，磁或光驱动器或软磁盘及类似设备。另外，本申请的一些步骤或功能可采用硬件来实现，例如，作为与处理器配合从而执行各个步骤或功能的电路。
另外，本申请的一部分可被应用为计算机程序产品，例如计算机程序指令，当其被计算机执行时，通过该计算机的操作，可以调用或提供根据本申请的方法和/或技术方案。而调用本申请的方法的程序指令，可能被存储在固定的或可移动的记录介质中，和/或通过广播或其他信号承载媒体中的数据流而被传输，和/或被存储在根据所述程序指令运行的计算机设备的工作存储器中。在此，根据本申请的一个实施例包括一个装置，该装置包括用于存储计算机程序指令的存储器和用于执行程序指令的处理器，其中，当该计算机程序指令被该处理器执行时，触发该装置运行基于前述根据本申请的多个实施例的方法和/或技术方案。
对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本申请。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本申请内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。装置权利要求中陈述的多个单元或装置也可以由一个单元或装置通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

Claims (10)

1.一种去除射线噪声的方法，其特征在于，所述方法包括：
获取多个雷达回波信号，根据所述多个雷达回波信号确定三维回波图像；
对所述三维回波图像进行拆分，拆分为以指定维度为序列的图像帧；
根据所述图像帧及帧间结构相似指数的阈值确定噪声帧；
根据所述噪声帧在所述多个雷达回波信号中删除射线噪声点，得到去噪回波序列；
根据反距离权重插值算法补充所述去噪回波序列中被删除的位置。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述多个雷达回波信号确定三维回波图像，包括：
将所述多个雷达回波信号中时间等间距连续的雷达回波信号进行合并，得到三维回波图像。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述图像帧及帧间结构相似指数的阈值确定噪声帧，包括：
确定每一图像帧与相邻图像帧的结构相似指数，根据所述结构相似指数以及帧间结构相似指数的阈值确定噪声帧。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述雷达回波信号中每一帧数据为矩阵数据，所述矩阵数据包括x轴上数据和y轴上数据，其中，x轴表示射线上的长度，y轴表示扫描方位角，所述三维回波图像包括x轴、y轴和t轴，其中，所述t轴表示将多个雷达回波信号进行合并后的时间轴；
其中，对所述三维回波图像进行拆分，拆分为以指定维度为序列的图像帧包括：
将所述三维回波图像的y轴作为序列标记，重新拆分所述三维回波图像，得到以y轴为序列的图像帧。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，确定每一图像帧与相邻图像帧的结构相似指数之前，包括：
将第一个图像帧标记为所述y轴上最后一个图像帧的下一帧；和/或，将最后一个图像帧标记为所述y轴上第一个图像帧的上一帧。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，确定每一图像帧与相邻图像帧的结构相似指数，包括：
将所述y轴上扫描方位角为359的下一帧标记为第一帧；和/或，
将所述y轴上扫描方位角为0的上一帧标记为最后一帧；
计算以所述y轴为序列的每一图像帧与相邻图像帧的结构相似指数。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述图像帧及帧间结构相似指数的阈值确定噪声帧之后，包括：
在以所述指定维度为序列的图像帧中标记所述噪声帧；
从未标记的图像帧中选取目标点，其中，所述目标点距离原点的距离在预设距离阈值内；
根据所述目标点及反距离权重插值算法确定插入值，将所述插入值补充至所述去噪回波序列中被删除的位置。
8.一种去除射线噪声的设备，其特征在于，所述设备包括：
确定装置，用于获取多个雷达回波信号，根据所述多个雷达回波信号确定三维回波图像；
拆分装置，用于所述三维回波图像进行拆分，拆分为以指定维度为序列的图像帧；
识别装置，用于根据所述图像帧及帧间结构相似指数的阈值确定噪声帧；
去噪装置，用于根据所述噪声帧在所述多个雷达回波信号中删除射线噪声点，得到去噪回波序列；
插值装置，用于根据反距离权重插值算法补充所述去噪回波序列中被删除的位置。
9.一种去除射线噪声的设备，其特征在于，所述设备包括：
一个或多个处理器；以及
存储有计算机可读指令的存储器，所述计算机可读指令在被执行时使所述处理器执行如权利要求1至7中任一项所述方法的操作。
10.一种计算机可读介质，其上存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令可被处理器执行以实现如权利要求1至7中任一项所述的方法。
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