CN111830488B - 一种基于gm-apd激光测距系统的回波信号数据处理方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于GM‑APD激光测距系统的回波信号数据处理方法，包括：获取所有位置点的回波数据并通过莱特准则对所有位置点的回波数据进行去噪处理，得到第一回波数据；根据空间相关特性建立自适应约束管道，获取约束中心值并根据约束中心值和半径阈值对第一回波数据中前N'个位置点的异常数据进行剔除得到前N'个位置点的第二回波数据；根据时间相关性对第二回波数据进行众值提取得到正确回波；在前N'个之后的位置点始终根据距离当前的前N'个位置点的正确回波对约束中心值进行修正，完成对所有位置点的正确回波的提取；本发明克服现有技术无法对强噪声背景、少采样次数的回波信号进行有效提取的缺陷，实现正确回波的高效提取。

Description

一种基于GM-APD激光测距系统的回波信号数据处理方法及 系统

技术领域

本发明涉及回波信号数据处理技术领域，尤其涉及一种基于GM-APD激光测距系统的回波信号数据处理方法及系统。

背景技术

基于盖革模式APD(GM-APD)的激光测距系统具有响应速度快、体积小和灵敏度高等优势，其探测能力可达到单光子量级，可实现对目标的精确探测、跟踪与识别，已被广泛应用于军事和民用领域。但GM-APD激光测距系统探测目标过程中，会受到自身暗噪声和背景光噪声的干扰。且由于遮蔽效应的存在，导致其单次测量可能无法检测到正确的目标回波信号，需要进行多次测量并对回波数据进行数据处理，最终提取正确目标回波。

传统数据处理方法利用信号和噪声在时序上的差异，在使用莱特准则初步剔除部分异常值的基础上，通过多次测量实验将具有相关性的目标回波信号进行提取，从而去除噪声。但在实际测量过程中，尤其在晴朗的白天，太阳背景光噪声不可避免，同时反射光入射角度的差异会使得探测区域边缘位置噪声量较大。在这种环境中，GM-APD激光测距系统探测目标边缘位置的信噪比极低，其异常数据不符合统计特性。当采样次数较少时，边缘位置处噪声占比进一步提高，无法利用传统方法通过信号和噪声时序上的差异对目标回波进行有效提取。

因此，目前市面上亟需一种基于GM-APD激光测距系统的回波信号数据处理策略，以克服现有技术无法对强噪声背景下、少采样次数的回波信号进行有效提取的缺陷问题，实现正确目标回波的高效提取。

发明内容

本发明提供了一种基于GM-APD激光测距系统的回波信号数据处理方法及系统，可以克服现有技术无法对强噪声背景下、少采样次数的回波信号进行有效提取的缺陷问题，实现正确目标回波的高效提取。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种基于GM-APD激光测距系统的回波信号数据处理方法，包括：

获取由GM-APD激光测距系统所探测的所有目标位置点的回波数据，并通过莱特准则对所述所有目标位置点的回波数据进行去噪处理，得到第一回波数据；

根据目标位置点的空间相关特性建立自适应约束管道，获取所述自适应约束管道的约束中心值，并根据所述约束中心值和预设半径阈值对所述第一回波数据中前N'个目标位置点的回波数据中的异常数据进行剔除，得到前N'个目标位置点的第二回波数据；

根据时间相关性对所述第二回波数据进行众值提取，得到前N'个目标位置点的正确目标回波；

在前N'个之后的目标位置点始终根据距离当前的前N'个目标位置点的正确目标回波，对所述自适应约束管道的约束中心值进行修正，根据修正后的约束中心值完成对所有目标位置点的正确目标回波的提取；其中，N'为正整数。

作为优选方案，所述通过莱特准则对所述所有目标位置点的回波数据进行去噪处理的步骤，具体为：

根据每个目标位置点的回波数据，计算得到每个目标位置点的回波数据均值；

根据所述每个目标位置点的回波数据均值，计算每个目标位置点的残差值；

当确定目标位置点的回波数据元素与均值之间差值的绝对值大于三倍的残差值时，确定该目标位置点的回波数据为异常值，对该异常值进行剔除；

在每次剔除异常值后重新计算剩余每个目标位置点的回波数据均值和残差值，对剩余目标位置点中出现的异常值进行剔除，直到所有的剩余目标位置点的回波数据元素与均值之间差值的绝对值不大于三倍的残差值。

作为优选方案，所述残差值的计算过程为：

其中，/>

其中，

为第i个位置点回波数据的均值，M为每个目标位置点的回波数据的数量上限，N为目标位置点数量上限；令目标位置点为P_i,i＝1,2,...,N，每个目标位置点的回波数据为T_i,j,j＝1,2,...,M，σ_i为残差值；

则，异常值的确定公式为：

其中T_i,b1为剔除的第i个目标位置点的回波数据中的异常值。

作为优选方案，所述根据目标位置点的空间相关特性建立自适应约束管道，获取所述自适应约束管道的约束中心值，并根据所述约束中心值和预设半径阈值对所述第一回波数据中前N'个目标位置点的回波数据中的异常数据进行剔除的步骤，具体为：

根据时序相关性对所述第一回波数据中前N'个目标位置点的回波数据进行众值提取，得到前N'个目标位置点自适应约束管道的约束中心值；

当确定目标位置点的回波数据元素大于约束中心值与预设半径阈值的和值时，或，当确定目标位置点的回波数据元素小于约束中心值与预设半径阈值的差值时，确定该目标位置点的回波数据为异常值，对该异常值进行剔除。

作为优选方案，所述N'的值为3。

作为优选方案，所述约束中心值的计算过程为：

R＝mode(T_1,j,T_2,j,T_3,j),,j＝1,2,...,M′_i；

其中mode(·)表示利用时序相关性进行众值提取操作；R为约束中心值；

则异常值的确定，具体为：

其中T_i,b2和T_i,b3为被剔除的第i个目标位置点回波数据中的异常值，γ为预设半径阈值。

作为优选方案，所述根据时间相关性对所述第二回波数据进行众值提取的步骤，具体为：

对所述第二回波数据进行时序相关性提取，获得第i个目标位置点回波数据的输出结果：

T_i＝mode(T_i,j),j＝1,2,...,M″_i；

其中M″_i为目标位置点P_i的第二回波数据的上限。

作为优选方案，所述对所述自适应约束管道的约束中心值进行修正的步骤，具体为：

计算前N'个目标位置点的正确目标回波的均值；

根据前N'个目标位置点的正确目标回波的均值对自适应变更条件的满足情况对所述自适应约束管道的约束中心值进行修正。

作为优选方案，所述计算前N'个目标位置点的正确目标回波的均值的过程具体为：

T_mean＝mean(T_i,T_i-1,T_i-2)；

其中，T_i，T_i-1，T_i-2为前N'个目标位置点，N'为3；T_mean为前N'个目标位置点的正确目标回波的均值；

则，自适应变更条件为：

本发明另一实施例提供了一种基于GM-APD激光测距系统的回波信号数据处理系统，包括处理器和存储器，所述存储器存有回波信号数据处理程序，所述处理器在运行所述回波信号数据处理程序时执行如上述任一项所述基于GM-APD激光测距系统的回波信号数据处理方法的步骤。

相比于现有技术，本发明实施例具有如下有益效果：

本发明技术方案提供的基于GM-APD激光测距系统的回波信号数据处理方法及系统，在传统莱特准则方法剔除异常数据的基础上，利用探测目标位置点的空间相关性搭建约束管道对所获得回波信号异常数据进一步剔除，对处理后数据利用其时间相关性完成目标回波的提取；本发明方法还考虑目标表面连续变化特性，所建立约束管道的管道中心可随目标位置点回波数据提取结果的变化自适应变更，有效提高了异常数据剔除效率和正确目标回波的提取效率。

附图说明

图1：为本发明实施例一提供的基于GM-APD激光测距系统的回波信号数据处理方法的步骤流程图；

图2：为GM-APD激光测距系统观测目标示意图；

图3：为观测目标一真实数据占比示意图；

图4：为观测目标二真实数据占比示意图；

图5：为传统方法目标一数据处理结果示意图；

图6：为传统方法目标二数据处理结果示意图；

图7：为本发明实施例一中的目标一数据处理结果示意图；

图8：为本发明实施例一中的目标二数据处理结果示意图；

图9：为本发明实施例一提供的基于GM-APD激光测距系统的回波信号数据处理方法的整体时序流程图；

图10：为发明实施例二提供的基于GM-APD激光测距系统的回波信号数据处理系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

请参照图1，为本发明实施例一提供的一种基于GM-APD激光测距系统的回波信号数据处理方法的步骤流程图，该方法包括步骤101至步骤104，结合图9提供的时序流程图，各步骤具体如下：

步骤101，获取由GM-APD激光测距系统所探测的所有目标位置点的回波数据，并通过莱特准则对所述所有目标位置点的回波数据进行去噪处理，得到第一回波数据。

具体地，对GM-APD激光测距系统所探测的所有位置点的所有回波数据利用莱特准则进行初步去噪处理，去除回波数据中的部分显著异常值。首先，设位置点为P_i,i＝1,2,...,N，每个位置点回波数据为T_i,j,j＝1,2,...,M，计算每个位置点的残差σ_i：

其中

为第i个位置点回波数据的均值。根据莱特准则：当一个数值序列中元素与该序列均值的差大于三倍残差时，该元素被认为是异常值，需要被剔除。

表示如下：

其中T_i,b1为莱特准则剔除的第i个位置点回波数据中的异常值。舍弃异常值后重新计算平均值和残差值，再次用莱特准则筛查剩余数据，若有新的异常值出现则对其剔除，重复以上步骤直到所有剩余数据T_i,j,j＝1,2,...,M′_i的残差均落在3σ_i范围之内。

步骤102，根据目标位置点的空间相关特性建立自适应约束管道，获取所述自适应约束管道的约束中心值，并根据所述约束中心值和预设半径阈值对所述第一回波数据中前N'个目标位置点的回波数据中的异常数据进行剔除，得到前N'个目标位置点的第二回波数据。

具体地，根据被探测目标位置点空间相关特性建立自适应约束管道，获得管道约束中心初值并设定管道半径阈值，对剩余回波数据中的异常数据再次进行剔除。在本实施例中，N'的值为3。首先，将前三个位置点所有回波数据进行组合，由于相邻位置点的真实回波时间差异不大，对其进行时序相关性提取，获得管道约束中心的初值R，并设定作为管道半径阈值γ。

R＝mode(T_1,j,T_2,j,T_3,j),,j＝1,2,...,M′_i (3)

其中mode(·)表示利用时序相关性进行众值提取操作。

根据管道约束中心的初值R和管道半径初值γ对后续位置点P_i,i＝4,5,...,N进行逐一数据处理，将管道外的回波数据视为异常值：

其中T_i,b2和T_i,b3为被剔除的第i个位置点回波数据中的异常值。

步骤103，根据时间相关性对所述第二回波数据进行众值提取，得到前N'个目标位置点的正确目标回波。

具体地，根据目标回波的时间相关性，对数据进行众值提取，获得正确目标回波。首先，对处理后的剩余回波数据进行时序相关性提取，获得第i个位置点回波数据的输出结果：

T_i＝mode(T_i,j),j＝1,2,...,M″_i (5)

其中M″_i为位置点P_i管道约束处理后剩余回波数据上限。

步骤104，在前N'个之后的目标位置点始终根据距离当前的前N'个目标位置点的正确目标回波，对所述自适应约束管道的约束中心值进行修正，根据修正后的约束中心值完成对所有目标位置点的正确目标回波的提取；其中，N'为正整数。

具体地，考虑目标表面连续变化特性，使管道约束中心随位置点回波数据输出结果的变化自适应变更；重复异常数据剔除、目标回波提取和管道约束中心自适应变更，直到完成所有位置点数据处理。

首先，计算回波数据输出结果T_i,T_i-1,T_i-2的均值：

T_mean＝mean(T_i,T_i-1,T_i-2) (6)

若所得均值满足自适应变更条件则对管道约束中心进行更新：

至此，本发明的一种基于GM-APD激光测距系统的回波信号数据处理方法结束。

下面结合具体的仿真实验对本发明技术方案的效果作进一步验证说明。

(一)实测实验数据说明。

为了验证本发明方法的准确性，通过实测实验予以证明；实验数据如下：

(二)仿真结果及分析

本发明的仿真结果分别如图2、图3、图4、图5、图6、图7和图8所示。在已知实际距离的情况下，图3和图4显示了所观测数据中真实数据占比情况。由图3可知探测区域边缘位置处真实数据占比较小，噪声占比较大，部分位置点噪声占比超过80％。当采样次数较低时，如图4所示，位置边缘处真实数据量进一步减少，信噪比极低，大量位置点噪声占比超过80％，部分位置点噪声占比超过90％。

图5和图6显示了传统数据处理方法回波提取结果。在莱特准则剔除异常值的基础上，利用信号和噪声在时序上的差异，提取具有相关性的目标回波信号。由图5可以看到当每个位置点采样次数较多时，即使部分位置点信噪比较低，仍可通过时序相关性提取目标回波，获得比较好的数据处理结果。而图6显示当每个位置点采样次数较少时，由于GM-APD激光测距系统对于目标区域边缘位置的探测结果信噪比较极低，异常值较多，其误差分布在时序上不完全服从正态分布，常规的数据处理方法难以获得有效信号的估值，无法获得良好的数据处理结果。。

图7-图8为本发明方法的数据处理结果。如图7所示，目标一的数据处理结果与传统方法相似，在通过位置关联将异常值剔除的基础上，利用信号和噪声在时序上的差异可有效提取具有相关性的目标回波信号。对于目标二，由图8可以看到探测目标表面的明显轮廓，表明本发明方法在采样数据量小、异常值占比较大的情况下的目标回波信号数据处理质量较好，其效果要明显优于传统方法。

实验数据表描述了目标一和目标二数据处理统计结果。其中真实数据占比为所得回波数据中真实数据数量与数据处理后所剩数据数量的比值。RMSE为数据处理后每个位置点提取结果与真值的均方根误差：

其中

为每个位置点回波数据的真值，来源于人工根据先验知识分析确定。对于目标一，传统方法数据处理后所剩数据中真实数据占比为72.42％，小于本发明方法处理后的99.84％，但由于目标一采样次数较多，两种方法通过时序相关性提取都可获得较为精确的结果。对于目标二，由于采样次数少，传统方法数据处理后所剩数据中真实数据占比仅为65.31％，且RMSE高达1.83·10⁵，说明其处理后的数据中异常值数量较多，后续无法通过时序相关性提取获得较好结果。而本发明方法数据处理后所剩数据中真实数据占比为98.46％，且RMSE仅为5.88，说明其处理后的数据中异常值数量极少，后续通过时序相关性提取可获得较为精确的结果。

综上所述，仿真实验验证了本发明的正确性，有效性和可靠性。

实施例二

请参照图10，为本发明另一实施例提供了一种基于GM-APD激光测距系统的回波信号数据处理系统的结构示意图，包括处理器和存储器，所述存储器存有回波信号数据处理程序，所述处理器在运行所述回波信号数据处理程序时执行如上述任一项所述基于GM-APD激光测距系统的回波信号数据处理方法的步骤。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于GM-APD激光测距系统的回波信号数据处理方法，其特征在于，包括：

获取由GM-APD激光测距系统所探测的所有目标位置点的回波数据，并通过莱特准则对所述所有目标位置点的回波数据进行去噪处理，得到第一回波数据；

根据目标位置点的空间相关特性建立自适应约束管道，获取所述自适应约束管道的约束中心值，并根据所述约束中心值和预设半径阈值对所述第一回波数据中前N'个目标位置点的回波数据中的异常数据进行剔除，得到前N'个目标位置点的第二回波数据，具体为：根据时序相关性对所述第一回波数据中前N'个目标位置点的回波数据进行众值提取，得到前N'个目标位置点自适应约束管道的约束中心值；当确定目标位置点的回波数据元素大于约束中心值与预设半径阈值的和值时，或，当确定目标位置点的回波数据元素小于约束中心值与预设半径阈值的差值时，确定该目标位置点的回波数据为异常值，对该异常值进行剔除；所述约束中心值的计算过程为：

R＝mode(T_1,j,T_2,j,T_3,j),,j＝1,2,...,M′_i；

其中mode(·)表示利用时序相关性进行众值提取操作，M′_i表示执行莱特准则后的剩余数据总点数；R为约束中心值；

则异常值的确定，具体为：

其中T_i,b2和T_i,b3为被剔除的第i个目标位置点回波数据中的异常值，γ为预设半径阈值；

根据时间相关性对所述第二回波数据进行众值提取，得到前N'个目标位置点的正确目标回波，具体为：对所述第二回波数据进行时序相关性提取，获得第i个目标位置点回波数据的输出结果：

T_i＝mode(T_i,j),j＝1,2,...,M_i″；

其中M_i″为目标位置点P_i的第二回波数据的上限；

在前N'个之后的目标位置点始终根据距离当前的前N'个目标位置点的正确目标回波，对所述自适应约束管道的约束中心值进行修正，根据修正后的约束中心值完成对所有目标位置点的正确目标回波的提取；其中，N'为正整数；

所述对所述自适应约束管道的约束中心值进行修正的步骤，具体为：

计算前N'个目标位置点的正确目标回波的均值，具体为：

T_mean＝mean(T_i,T_i-1,T_i-2)；

其中，T_i，T_i-1，T_i-2为前N'个目标位置点，N'为3；T_mean为前N'个目标位置点的正确目标回波的均值；

则，自适应变更条件为：

根据前N'个目标位置点的正确目标回波的均值对自适应变更条件的满足情况对所述自适应约束管道的约束中心值进行修正。

2.如权利要求1所述的基于GM-APD激光测距系统的回波信号数据处理方法，其特征在于，所述通过莱特准则对所述所有目标位置点的回波数据进行去噪处理的步骤，具体为：

根据每个目标位置点的回波数据，计算得到每个目标位置点的回波数据均值；

根据所述每个目标位置点的回波数据均值，计算每个目标位置点的残差值；

当确定目标位置点的回波数据元素与均值之间差值的绝对值大于三倍的残差值时，确定该目标位置点的回波数据为异常值，对该异常值进行剔除；

在每次剔除异常值后重新计算剩余每个目标位置点的回波数据均值和残差值，对剩余目标位置点中出现的异常值进行剔除，直到所有的剩余目标位置点的回波数据元素与均值之间差值的绝对值不大于三倍的残差值。

3.如权利要求2所述的基于GM-APD激光测距系统的回波信号数据处理方法，其特征在于，所述残差值的计算过程为：

其中，/>

其中，

为第i个位置点回波数据的均值，M为每个目标位置点的回波数据的数量上限，N为目标位置点数量上限；令目标位置点为P_i,i＝1,2,...,N，每个目标位置点的回波数据为T_i,j,j＝1,2,...,M，σ_i为残差值；

则，异常值的确定公式为：

其中T_i,b1为剔除的第i个目标位置点的回波数据中的异常值。

4.如权利要求1所述的基于GM-APD激光测距系统的回波信号数据处理方法，其特征在于，所述N'的值为3。

5.一种基于GM-APD激光测距系统的回波信号数据处理系统，其特征在于，包括处理器和存储器，所述存储器存有回波信号数据处理程序，所述处理器在运行所述回波信号数据处理程序时执行如权利要求1～4中任一项所述基于GM-APD激光测距系统的回波信号数据处理方法的步骤。

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