CN117630883A - 一种全波形可控的大气颗粒物监测激光雷达信号降噪方法、装置及介质 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种激光雷达信号降噪方法，尤其是一种全波形可控的大气颗粒物监测激光雷达信号降噪方法，对离散的雷达回波信号点进行分段三次样条函数拟合，通过分段三次样条函数拟合进行滤噪；其中，分段三次样条函数系数通过代价函数进行控制，当代价函数取最小值时获得所需的分段三次样条函数。本发明提供的一种全波形可控的大气颗粒物监测激光雷达信号降噪方法简单可控，可适用于各种颗粒物雷达，依照激光雷测试目标，任意修改代价函数系数，控制雷达信号不同探测距离上的消噪水平；拟合出的样条曲线平滑，利于反演、作图效果好，同时实现了雷达信号的插值处理，给出雷达信号的具体公式，有利于后期分析和数据处理。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光雷达信号降噪方法，尤其是一种全波形可控的大气颗粒物监测激光雷达信号降噪方法、装置及介质。
背景技术
激光雷达是一种主动式的现代光学遥感设备，具有测量范围广、时空分辨率高和抗干扰能力强等特点。在民用领域，激光雷达常用于气象测量、大气研究、遥感逗测、污染监测、医疗诊断等。激光雷达对大气颗粒物的测量主要通过分析激光束在大气传输过程中与大气相互作用的回波信号，获得大气环境的信息。
激光雷达在实际应用中接收到的回波信号往往不理想，信号被背景噪声和系统噪声等干扰。由于回波信号的强度需要通过距离平方矫正，当探测距离增加时，信号迅速淹没在噪声中。所以，如何降低背景噪声，提取有效信号成为研究关键。目前，主要的降噪手段包括硬件降噪和软件降噪。硬件通过增加采集卡信号叠加次数、提高激光器输出功率、增加窄带滤光片等方式实现降噪，软件通过滑动平均、傅里叶滤波、小波滤波、经验模态分解滤波等算法实现降噪。
激光雷达回波信号随距离平方衰减，衰减的数量级可达7个数量级，同时由于探测物的存在，信号会发生突然增强，所以整体信号是非线性，非平稳的。
现有激光雷达回波信号降噪方法对距离矫正的回波信号还有可改进的空间，主要体现在信号不同测量高度需要的滤噪水平不同，需要区分对待。如中国科学院上海技术物理研究所黄庚华在CN2016102364478公开的一种卫星激光高度计全波形激光雷达数据去噪方法中使用了SG滤波可有效去除全波形激光雷达数据的噪声，计算复杂度低，可有效保持原始全波形激光波形数据的相对极大值、相对极小值和脉冲宽度，但是该方面更多的使用在卫星的信号处理中，激光雷达的末端才是近地面的信号，导致信号的特征不一致，并不能很好的用于地基雷达。南京信息工程大学常建华在CN2017105125469 公开的一种高效的激光雷达回波信号去噪方法中使用了经验模态分解结合软阈值和粗糙度惩罚的方法，实现了对于高、低频两个函数组分别进行处理，提高了激光雷达回波信号的去噪性能，该方法主要是对高低频信号进行处理，更适用于远场与近场信号等效的场景，同时对薄云等高频信号可能有误处理。
发明内容
为解决上述技术在激光雷达近地面探测受限、信号的特征不一致，并不能很好的用于地基雷达以及对薄云等高频信号可能有误处理问题，本发明提供一种全波形可控的大气颗粒物监测激光雷达信号降噪方法，可以适用于不同的地基探空激光雷达设计，独立对远场和近场信号进行调参校准，在降低噪声的同时不会误处理多变的气象和环境场景，具体技术方案为：
一种全波形可控的大气颗粒物监测激光雷达信号降噪方法，对离散的雷达回波信号点进行分段三次样条函数拟合，通过分段三次样条函数拟合进行滤噪；其中，分段三次样条函数系数通过代价函数进行控制，当代价函数取最小值时获得所需的分段三次样条函数。
优选的，依据不同颗粒物雷达信号特点以及降噪目的，初步确认原始代价函数参数；
带入原始信号，在代价函数限制下进行分段三次样条插值拟合，实现滤噪；
若部分区域的滤噪效果不佳，则调整代价函数参数；
输出降噪后的雷达信号，同时获得相应的分段拟合函数。
优选的，所述代价函数参数包括近场平滑因子小，远场平滑因子大。
优选的，所述分段三次样条函数：
；
i=0,1,2,…,n-1，其中代表4n个未知系数对应离散的雷达信号；
对应于雷达信号空间探测距离，通常为等距分布，m，n为探测区间，对应起始探测位置和最远探测距离；
对应于相应距离上的雷达信号强度或雷达距离矫正信号强度或其他基于雷达信号获得的矫正信号；
为雷达信号拟合函数。
进一步的，所述代价函数：
；
公式中前项为最小二乘法公式、后项为防过拟合项；
公式中为平滑因子，/>取值在0到1之间，当取值为为0时/>为一条直线，当取值为1时，/>为过离散信号的三次样条曲线，变化的趋势从一个极端变至另一个极端；
公式中和/>分别为前项和后项的权重因子，可以分段控制雷达在整条廓线上的降噪程度。
一种全波形可控的大气颗粒物监测激光雷达信号降噪方法的装置，所述装置包括：处理器、存储器以及程序；所述程序存储在所述存储器中，所述处理器调用存储器存储的程序，以执行上述一种全波形可控的大气颗粒物监测激光雷达信号降噪方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质被配置成存储程序，所述程序被配置成执行上述一种全波形可控的大气颗粒物监测激光雷达信号降噪方法的步骤。
与现有技术相比本发明具有以下有益效果：
本发明提供的一种全波形可控的大气颗粒物监测激光雷达信号降噪方法简单可控，可适用于各种颗粒物雷达，依照激光雷测试目标，任意修改代价函数系数，控制雷达信号不同探测距离上的消噪水平；拟合出的样条曲线平滑，利于反演、作图效果好，同时实现了雷达信号的插值处理，给出雷达信号的具体公式，有利于后期分析和数据处理。
附图说明
图1是本申请的流程图；
图2是降噪实现效果图。
具体实施方式
现结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种全波形可控的大气颗粒物监测激光雷达信号降噪方法，对离散的雷达回波信号点进行分段三次样条函数拟合，通过分段三次样条函数拟合进行滤噪；其中，分段三次样条函数系数通过代价函数进行控制，当代价函数取最小值时获得所需的分段三次样条函数。
代价函数可依据不同雷达信号特点控制不同探测距离上的消噪水平。
利用分段三次样条函数、代价函数控制雷达回波信号消噪强度。
具体过程如下：
依据不同颗粒物雷达信号特点以及降噪目的，初步确认原始代价函数参数，例如近场平滑因子小，远场平滑因子大；
带入原始信号，在代价函数限制下进行分段三次样条插值拟合，实现滤噪；
若部分区域的滤噪效果不佳，则调整代价函数参数；
输出降噪后的雷达信号，同时获得相应的分段拟合函数。
分段三次样条函数
样条插值是一种工业设计中常用的、得到平滑曲线的一种插值方法，三次样条又是其中用的较为广泛的一种。
三次样条原理,
假设有以下节点：
样条曲线是一个分段定义的公式，给定n+1个数据点，共有n个区间，三次样条方程满足以下条件：
a. 在每个分段区间都是一个三次多项式；
b. 满足(i=1,2,…,n)；
c. ,导数/> ,二阶导数/>在/>区间都是连续的，即/> 曲线是光滑的；
所以n个三次多项式分段可以写作：
；
i=0,1,2,…,n-1，其中代表4n个未知系数对应离散的雷达信号；
对应于雷达信号空间探测距离，通常为等距分布，m，n为探测区间，对应起始探测位置和最远探测距离；
对应于相应距离上的雷达信号强度或雷达距离矫正信号强度或其他基于雷达信号获得的矫正信号；
就是相应的雷达信号拟合函数，在没有代价函数的条件下，去噪水平不可控，同时存在过拟合现象。
代价函数如下，前项为最小二乘法项，后项为防过拟合项；
；
当三次样条函数中取不同的值时，分段曲线/>随之变换，代价函数（约束条件）取最小值时，相应的/>就是所要的系数，分段三次样条曲线/>就是所要的三次样条，利用最小二乘法完成降噪，通常对信噪比高的信号部分保留自然三次样条，即保留原始信号，对信噪比低的部分加大滤噪强度，保留信号大致趋势。
公式中前项为最小二乘法公式、后项为防过拟合项；
公式中为平滑因子，/>取值在0到1之间，当取值为为0时/>为一条直线，当取值为1时，/>为过离散信号的三次样条曲线，变化的趋势从一个极端变至另一个极端；
公式中和/>分别为前项和后项的权重因子，可以分段控制雷达在整条廓线上的降噪程度。
此种方法简单可控，可适用于各种颗粒物雷达，依照激光雷测试目标，任意修改代价函数系数，控制雷达信号不同探测距离上的消噪水平；拟合出的样条曲线平滑，利于反演、作图效果好，同时实现了雷达信号的插值处理，给出雷达信号的具体公式，有利于后期分析和数据处理。
如图2所示，虚线为原始信号，点划线为全波形的9点3次平滑，实线为回归算法的降噪方法，1200点前与1200点后消噪强度不同。
一种全波形可控的大气颗粒物监测激光雷达信号降噪方法的装置，所述装置包括：处理器、存储器以及程序；所述程序存储在所述存储器中，所述处理器调用存储器存储的程序，以执行上述一种全波形可控的大气颗粒物监测激光雷达信号降噪方法的步骤。
存储器和处理器之间直接或间接地电性连接，以实现数据的传输或交互。例如，这些元件相互之间可以通过一条或者多条通信总线或信号线实现电性连接，如可以通过总线连接。存储器中存储有实现数据访问控制方法的计算机执行指令，包括至少一个可以软件或固件的形式存储于存储器中的软件功能模块，处理器通过运行存储在存储器内的软件程序以及模块，从而执行各种功能应用以及数据处理。
存储器可以是，但不限于，随机存取存储器(Random Access Memory，简称：RAM)，只读存储器(Read Only Memory，简称：ROM)，可编程只读存储器(Programmable Read-OnlyMemory，简称：PROM)，可擦除只读存储器(Erasable Programmable Read-Only Memory，简称：EPROM)，电可擦除只读存储器(Electric Erasable Programmable Read-Only Memory，简称：EEPROM)等。其中，存储器用于存储程序，处理器在接收到执行指令后，执行程序。
处理器可以是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。上述的处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，简称：CPU)、网络处理器(NetworkProcessor，简称：NP)等。可以实现或者执行本申请实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质被配置成存储程序，所述程序被配置成执行上述一种全波形可控的大气颗粒物监测激光雷达信号降噪方法的步骤。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种全波形可控的大气颗粒物监测激光雷达信号降噪方法，其特征在于，
对离散的雷达回波信号点进行分段三次样条函数拟合，通过分段三次样条函数拟合进行滤噪；
其中，分段三次样条函数系数通过代价函数进行控制，当代价函数取最小值时获得所需的分段三次样条函数。
2.根据权利要求1所述的一种全波形可控的大气颗粒物监测激光雷达信号降噪方法，其特征在于，
依据不同颗粒物雷达信号特点以及降噪目的，初步确认原始代价函数参数；
带入原始信号，在代价函数限制下进行分段三次样条插值拟合，实现滤噪；
若部分区域的滤噪效果不佳，则调整代价函数参数；
输出降噪后的雷达信号，同时获得相应的分段拟合函数。
3.根据权利要求1所述的一种全波形可控的大气颗粒物监测激光雷达信号降噪方法，其特征在于，所述代价函数参数包括近场平滑因子小，远场平滑因子大。
4.根据权利要求1所述的一种全波形可控的大气颗粒物监测激光雷达信号降噪方法，其特征在于，所述分段三次样条函数：
；
i=0,1,2,…,n-1，其中代表4n个未知系数对应离散的雷达信号；
对应于雷达信号空间探测距离，通常为等距分布，m，n为探测区间，对应起始探测位置和最远探测距离；
对应于相应距离上的雷达信号强度或雷达距离矫正信号强度或其他基于雷达信号获得的矫正信号；
为雷达信号拟合函数。
5.根据权利要求4所述的一种全波形可控的大气颗粒物监测激光雷达信号降噪方法，其特征在于，所述代价函数：
；
公式中前项为最小二乘法公式、后项为防过拟合项；
公式中为平滑因子，/>取值在0到1之间，当取值为为0时/>为一条直线，当取值为1时，/>为过离散信号的三次样条曲线，变化的趋势从一个极端变至另一个极端；
公式中和/>分别为前项和后项的权重因子，可以分段控制雷达在整条廓线上的降噪程度。
6.一种全波形可控的大气颗粒物监测激光雷达信号降噪方法的装置，其特征在于，所述装置包括：
处理器、存储器以及程序；
所述程序存储在所述存储器中，所述处理器调用存储器存储的程序，以执行权利要求1所述的一种全波形可控的大气颗粒物监测激光雷达信号降噪方法的步骤。
7.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质被配置成存储程序，所述程序被配置成执行权利要求1所述的一种全波形可控的大气颗粒物监测激光雷达信号降噪方法的步骤。
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