本發(fā)明涉及一種去噪方法，特別是一種高效激光雷達回波信號去噪方法。

背景技術(shù)：

激光雷達是隨著激光器和雷達技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的一種主動式的現(xiàn)代光學遙感設(shè)備，具有測量范圍廣、時空分辨率高和抗干擾能力強等特點。激光雷達的應(yīng)用十分廣泛，在軍事領(lǐng)域，激光雷達可用于戰(zhàn)場偵察、目標跟蹤、障礙回避、空間監(jiān)視等；在民用領(lǐng)域，激光雷達可用于氣象測量、大氣研究、遙感遙測、污染監(jiān)測、醫(yī)療診斷等。

然而，在實際應(yīng)用中，探測器接收到的回波信號往往夾雜著背景光和系統(tǒng)中的各類噪聲。由于回波信號的強度隨距離平方衰減，當探測距離較大時，信號將淹沒在較強的噪聲之中。所以，如何有效的從強背景噪聲中提取出有用信號尤為重要。目前，主流的激光雷達測量系統(tǒng)主要采用硬件和軟件相結(jié)合的方法對回波信號中的背景光噪聲進行濾除。其中，硬件去噪主要是通過提高激光器輸出功率、在探測器前加入窄帶濾光片等方式實現(xiàn)噪聲濾除，軟件去噪主要是利用滑動平均、傅里葉變換、小波變換、經(jīng)驗模態(tài)分解等數(shù)字濾波技術(shù)實現(xiàn)信號的有效提取。

激光雷達回波信號是一種隨距離平方衰減的非線性、非平穩(wěn)信號，衰減的數(shù)量級多達7個數(shù)量級或更多。基于該特點，滑動平均以及傅里葉變換不能很好地適用該類信號。小波變換是一種適合處理非線性、非平穩(wěn)信號的方法，王成等利用小波分析對星載激光雷達波形進行處理，得到更符合原始波形的擬合波形，但該方法存在最優(yōu)基函數(shù)的選擇問題(授權(quán)號cn20101070853)。經(jīng)驗模態(tài)分解是由huang等人提出的一種具有較強的自適應(yīng)性的時域信號處理方法，特別適用于處理非線性、非平穩(wěn)信號，能很好地克服小波變換的基函數(shù)選擇問題?；夭ㄐ盘柦?jīng)過分解可得到一系列頻率從大到小的本征模態(tài)函數(shù)，噪聲往往處于高頻部分。因此，目前噪聲濾除工作主要針對于高頻分量。吳松華等在處理回波信號時，將前五項本征模態(tài)函數(shù)分量直接去除，與傳統(tǒng)的低通濾波和多脈沖平均法相比，所獲得的信號平滑性更好、擾動性更小。但是，當回波中存在強突變信號時，分解后的分量會產(chǎn)生模態(tài)混疊現(xiàn)象，簡單舍棄高頻分量，會導致有效信號的損失。為有效提取高頻分量中的有用信號，閾值法、savitzky-golay濾波等多種技術(shù)相繼被用于高頻分量的平滑處理，提高了系統(tǒng)的信噪比。然而，忽略了對低頻分量的處理，使得重構(gòu)的回波信號中依然含有噪聲。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種高效激光雷達回波信號去噪方法，提高激光雷達回波信號的信噪比。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

一種高效激光雷達回波信號去噪方法，其特征在于包含以下步驟：

步驟一：將激光雷達回波信號作經(jīng)驗模態(tài)分解，得到有限個本征模態(tài)函數(shù)和殘差；

步驟二：將本征模態(tài)函數(shù)由低階到高階依次去除，保留此階數(shù)之后的信號作為剩余分量，計算每個剩余分量與激光雷達回波信號間的相關(guān)系數(shù)，按順序?qū)⒚總€剩余分量對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)與設(shè)定的閾值依次進行比較，當某個相關(guān)系數(shù)開始小于設(shè)定的閾值時，確定該相關(guān)系數(shù)對應(yīng)的剩余分量中的本征模態(tài)函數(shù)為低頻本征模態(tài)函數(shù)分量，而對應(yīng)的剩余分量之前的本征模態(tài)函數(shù)分量為高頻本征模態(tài)函數(shù)分量；

步驟三：對于高頻本征模態(tài)函數(shù)分量，采用軟閾值處理方法對其進行去噪；

步驟四：對于低頻本征模態(tài)函數(shù)分量，采用粗糙懲罰平滑模型進行處理；

步驟五：將步驟三和步驟四中處理后的本征模態(tài)函數(shù)分量與殘差進行重構(gòu)，得到去噪后的激光雷達回波信號。

進一步地，所述步驟一具體步驟為，

1.1識別出激光雷達回波信號f(x)的所有極大值以及極小值點，x為探測距離，形成f(x)的上下包絡(luò)線u、l，計算上下包絡(luò)線的均值：m＝(u+l)/2；

1.2將f(x)減去上下包絡(luò)線的均值：h＝f(x)-m，判斷h是否滿足本征模態(tài)函數(shù)的定義，若滿足，則得到第一個本征模態(tài)函數(shù)分量記為h⁽¹⁾，代表回波信號中的最高頻率分量；否則，將h作為新的f(x)，重復以上步驟；

1.3將f(x)減去h⁽¹⁾，從f(x)中分離出本征模態(tài)函數(shù)，得到剩余分量：res＝f(x)-h⁽¹⁾，判斷res是否滿足殘差的條件，若滿足，保留該分量；否則，將res作為新的f(x)，重復以上所有步驟。

進一步地，所述步驟二中剩余信號fm(x)之間的相關(guān)系數(shù)ρ(m)計算公式為

其中，f(x)為激光雷達回波信號；fm(x)為回波信號去除前m個本征模態(tài)函數(shù)后的信號；h⁽ⁱ⁾(x)為第i個本征模態(tài)函數(shù)分量；n為本征模態(tài)函數(shù)分量的長度；

所得的相關(guān)系數(shù)呈單調(diào)遞減，通過與設(shè)定的閾值進行比較，獲得最后一個大于閾值的相關(guān)系數(shù)，從而確定第一個低頻本征模態(tài)函數(shù)分量的位置kth：

其中，last表示在ρ(m)中最后一個大于等于c時，m對應(yīng)的值，c的取值范圍為[0.75，0.85]；l為本征模態(tài)函數(shù)分量的個數(shù)。

進一步地，所述步驟三中對于高頻本征模態(tài)函數(shù)分量采用的軟閾值方式，其處理方法為

其中，h⁽ⁱ⁾(x)為第i個本征模態(tài)函數(shù)分量；ti為閾值；

閾值選取為

其中，n為本征模態(tài)函數(shù)分量的長度；median(|h⁽ⁱ⁾(x)|)為取第i個本征模態(tài)函數(shù)分量的中值。

進一步地，所述步驟四中對于低頻本征模態(tài)函數(shù)分量采用的粗糙懲罰平滑模型為

其中，imfi(n)為第i本征模態(tài)函數(shù)的第n個點；imfi'(n)為為第i本征模態(tài)函數(shù)平滑后的第n個點；λ為懲罰系數(shù)；y(x)為待估光滑函數(shù)；y(x)”為y(x)的二階導數(shù)。上式右邊第一項為基本的最小二乘原理，第二項為增加的粗糙懲罰項；

懲罰系數(shù)λ選用交叉驗證法進行確定

其中，f(n)為驗證樣本；fn^*(λ)為在一個給定的λ下的估計值；

對于上式，得到的最小值所對應(yīng)的λ即為所需的光滑參數(shù)。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點和效果：

(1)本發(fā)明通過分析激光雷達回波信號與本征模態(tài)函數(shù)分量之間的相關(guān)性，從而有效區(qū)分高頻與低頻本征模態(tài)函數(shù)分量；

(2)本發(fā)明利用軟閾值處理方式對高頻本征模態(tài)函數(shù)分量進行去噪，克服硬閾值在重構(gòu)時產(chǎn)生的波動，提高重構(gòu)信號的光滑性；另外，利用該方法代替直接去除高頻分量的去噪方法，保留信號的完整性，提高信噪比；

(3)本發(fā)明通過利用粗糙懲罰光滑模型對低頻本征模態(tài)函數(shù)分量進行平滑處理，可在保持信號光滑性的基礎(chǔ)上有效避免過度擬合，從而對噪聲進行去除，提高信噪比；

(4)本發(fā)明將經(jīng)驗模態(tài)分解、粗糙懲罰光滑模型以及軟閾值有機結(jié)合，與傳統(tǒng)的去噪方法進行比較，能在保持信號完整性的基礎(chǔ)上，具有更好的光滑性，從而提高了信噪比。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的一種高效激光雷達回波信號去噪方法的流程圖。

圖2是本發(fā)明的經(jīng)驗模態(tài)分解流程圖。

圖3是本發(fā)明的激光雷達回波信號仿真圖。

圖4是本發(fā)明加噪處理后的激光雷達回波信號。

圖5是本發(fā)明的實施例信噪比為5db時，激光雷達回波信號經(jīng)驗模態(tài)分解結(jié)果。

圖6是本發(fā)明的實施例信噪比為5db時，相關(guān)系數(shù)計算結(jié)果圖。

圖7是本發(fā)明的實施例信噪比為5db時，激光雷達回波信號去噪效果。

圖8是本發(fā)明的實施例信噪比為5db時，四種方法的激光雷達回波信號去噪效果。

圖9是信噪比為5db時，各方法去噪后的信噪比表格。

圖10是信噪比為5db時，各方法去噪后的均方差表格。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖并通過實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明，以下實施例是對本發(fā)明的解釋而本發(fā)明并不局限于以下實施例。

如圖1所示，本發(fā)明的一種高效激光雷達回波信號去噪方法，包含以下步驟：

步驟一：將激光雷達回波信號作經(jīng)驗模態(tài)分解，得到有限個本征模態(tài)函數(shù)和殘差；

如圖2所示，經(jīng)驗模態(tài)分解具體為：

1.1識別出激光雷達回波信號f(x)(x為探測距離)的所有極大值以及極小值點，形成f(x)的上下包絡(luò)線u、l，計算上下包絡(luò)線的均值：m＝(u+l)/2；

1.2將f(x)減去上下包絡(luò)線的均值：h＝f(x)-m，判斷h是否滿足本征模態(tài)函數(shù)的定義，若滿足，則得到第一個本征模態(tài)函數(shù)分量記為h⁽¹⁾，代表回波信號中的最高頻率分量；否則，將h作為新的f(x)，重復以上步驟；

1.3將f(x)減去h⁽¹⁾，從f(x)中分離出本征模態(tài)函數(shù)，得到剩余分量：res＝f(x)-h⁽¹⁾，判斷res是否滿足殘差的條件，若滿足，保留該分量；否則，將res作為新的f(x)，重復以上所有步驟。

步驟二：將本征模態(tài)函數(shù)由低階到高階依次去除，保留此階數(shù)之后的信號作為剩余分量，計算每個剩余分量與激光雷達回波信號間的相關(guān)系數(shù)，按順序?qū)⒚總€剩余分量對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)與設(shè)定的閾值依次進行比較，當某個相關(guān)系數(shù)開始小于設(shè)定的閾值時，確定該相關(guān)系數(shù)對應(yīng)的剩余分量中的本征模態(tài)函數(shù)為低頻本征模態(tài)函數(shù)分量，而對應(yīng)的剩余分量之前的本征模態(tài)函數(shù)分量為高頻本征模態(tài)函數(shù)分量；

剩余信號fm(x)之間的相關(guān)系數(shù)ρ(m)計算公式為

其中，f(x)為激光雷達回波信號；fm(x)為回波信號去除前m個本征模態(tài)函數(shù)后的信號；h⁽ⁱ⁾(x)為第i個本征模態(tài)函數(shù)分量；n為本征模態(tài)函數(shù)分量的長度；

所得的相關(guān)系數(shù)呈單調(diào)遞減，通過與設(shè)定的閾值進行比較，獲得最后一個大于閾值的相關(guān)系數(shù)，從而確定第一個低頻本征模態(tài)函數(shù)分量的位置kth：

其中，last表示在ρ(m)中最后一個大于等于c時，m對應(yīng)的值，c的取值范圍為[0.75，0.85]；l為本征模態(tài)函數(shù)分量的個數(shù)。

步驟三：對于高頻本征模態(tài)函數(shù)分量，采用軟閾值處理方法對其進行去噪；

對于高頻本征模態(tài)函數(shù)分量采用的軟閾值方式，其處理方法為

其中，h⁽ⁱ⁾(x)為第i個本征模態(tài)函數(shù)分量；ti為閾值；

閾值選取為

其中，n為本征模態(tài)函數(shù)分量的長度；median(|h⁽ⁱ⁾(x)|)為取第i個本征模態(tài)函數(shù)分量的中值。

步驟四：對于低頻本征模態(tài)函數(shù)分量，采用粗糙懲罰平滑模型進行處理；

對于低頻本征模態(tài)函數(shù)分量采用的粗糙懲罰平滑模型為

其中，imfi(n)為第i本征模態(tài)函數(shù)的第n個點；imfi'(n)為為第i本征模態(tài)函數(shù)平滑后的第n個點；λ為懲罰系數(shù)；y(x)為待估光滑函數(shù)；y(x)”為y(x)的二階導數(shù)。上式右邊第一項為基本的最小二乘原理，第二項為增加的粗糙懲罰項；

懲罰系數(shù)λ選用交叉驗證法進行確定

其中，f(n)為驗證樣本；fn^*(λ)為在一個給定的λ下的估計值；

對于上式，得到的最小值所對應(yīng)的λ即為所需的光滑參數(shù)。

步驟五：將步驟三和步驟四中處理后的本征模態(tài)函數(shù)分量與殘差進行重構(gòu)，得到去噪后的激光雷達回波信號。

下面對本發(fā)明的一種高效激光雷達回波信號去噪方法進行仿真分析；

如圖3所示，根據(jù)激光雷達方程對回波信號進行仿真，其激光雷達方程為

其中，p(r)為距離r處的瞬時接收功率；c為光速；e0為發(fā)射的激光脈沖能量；y(r)為激光雷達幾何重疊因子；ar為接收望遠鏡的有效接收面積；β(r)為后向散射系數(shù)；tttr為發(fā)射和接收光學系統(tǒng)的總透射率；α(r)為大氣消光系數(shù)。

在真實仿真信號中加入高斯白噪聲，其信噪比為5db，此信號作為待處理的激光雷達回波信號，如圖4所示。

如圖5所示，將回波信號利用經(jīng)驗模態(tài)分解，得到8個本征模態(tài)函數(shù)以及殘差。

如圖6所示，求解相關(guān)系數(shù)確定第一個低頻本征模態(tài)函數(shù)的位置：kth＝6，其中c選為0.85，則前5項分量為高頻分量，后3項為低頻分量。

對前5項高頻本征模態(tài)函數(shù)分量，采用軟閾值處理方法對其進行去噪；對第6-8項低頻本征模態(tài)函數(shù)分量，采用粗糙懲罰光滑模型進行處理，最終得到去噪后的信號如圖7所示。

在相同的信噪比條件下，將本發(fā)明提出的方法分別與傳統(tǒng)的三種去噪方法進行比較。選用的三種去噪方法為：將低頻分量以及殘差進行部分重構(gòu)、對高頻分量分量采用硬閾值方法進行處理，以及對回波信號采用小波去噪方法。

其中，小波去噪方法的基函數(shù)選為db6，分解層數(shù)是3層，采用軟閾值進行處理。

分別計算各方法去噪后的輸出信噪比(snrout)和均方差(mse)，公式為：

其中，n為激光雷達回波信號的長度；f(n)為回波信號在第n個點處的值；f^*(n)為去噪后第個點的值。

結(jié)論：四種方法的去噪效果如圖8所示，本發(fā)明提出的方法較于其他三種方式，去噪后的信噪比最高，達到16.67db(圖9)，均方差最小為2.23×10^-22(圖10)，具有較好的平滑效果，去噪效果更好。

本說明書中所描述的以上內(nèi)容僅僅是對本發(fā)明所作的舉例說明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對所描述的具體實施例做各種修改或補充或采用類似的方式替代，只要不偏離本發(fā)明說明書的內(nèi)容或者超越本權(quán)利要求書所定義的范圍，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護范圍。