[发明专利]一种激光雷达回波信号散斑噪声的滤除方法

说明书

本发明公开了一种激光雷达回波信号散斑噪声的滤除方法，首先滤除加性噪声后同态变换作为第一路ICA观测信号；接着对参考脉冲信号移位，与去加性噪声信号相乘后同态变换的结果作为第二路ICA观测信号；ICA分离两路结果，判断信号与噪声是否有效分离，如有则保留本次结果，反之则舍弃；增加参考脉冲移位步长，返回迭代，直到完成整个时域移位后结束迭代；从保存结果中选择最优分离结果，完成散斑噪声滤除。本发明通过结合参考脉冲滑动匹配和独立成分分析的自适应迭代算法，对激光雷达系统含噪回波信号进行散斑噪声滤除，实现高精度测距。

技术领域

本发明属于激光数据处理技术领域，特别涉及了一种激光雷达回波信号散斑噪声的滤除方法。

背景技术

激光雷达以激光为探测工具，以感光元件作为接收器件，以光电转换器作为信号转换的核心的雷达。得益于激光这种特殊波段的辐射源，具有更高分辨率、更强抗电子干扰及反隐身能力、更丰富测图信息等优势，已日渐形成其无可替代的地位。随着激光雷达技术的进一步发展，激光雷达在民用和军用领域都占有一席之地。比如我国自主研发的嫦娥三号探测器，应用了激光测距仪和CCD相机，其中激光测距仪主要靠提取激光回波时间来判断目标距离，CCD相机则根据目标反射光的强度来提取光强信息，二者相互结合实现三维成像。

激光雷达系统一般安装在飞行器或汽车等运载平台上，利用激光测量目标到系统之间的距离。其工作原理是激光器持续向目标发射激光脉冲，脉冲光束穿过大气与目标接触后产生微弱后向散射回波，接收端利用望远镜将其接收，再通过光电探测器转换为电脉冲信号，用数字采集器将其采样后进行处理。由此可见，只需要从采集的回波数字信号中提取出激光脉冲从发射到接收之间的飞行时间差Δt，通过r＝cΔt/2即可计算出目标点的距离值。基于飞行时间探测原理，激光雷达系统借助扫描器对目标区域不同点进行持续地扫描探测，最终获得目标区域的多个探测点距离信息，与CCD获取的强度信息融合后，得到目标的三维图像。

然而，激光雷达系统实际获得的回波信号并非理想，可直接用以定位回波脉冲位置。在实际传播过程中，回波信号受到诸多噪声影响，如大气湍流、大气衰减、目标交互散斑、背景光噪声、散粒噪声、放大器噪声及暗电流噪声等。按噪声属性分类，可分为乘性噪声和加性噪声两种。在光学成像中，乘性噪声表现为散斑现象，由于光束通过不均匀介质或在粗糙表面反射而产生。例如，由于大气微粒的随机运动改变了大气的折射率，使得光束沿非直线传播，产生了闪烁光斑，即散斑。大气湍流的每一个散斑元概率密度分布函数：

上式中，S为探测信号能量；S_av为探测信号平均能量；为目标平均后的有效湍流波动量。这里其中为大气湍流的结构常数，R为系统到目标的距离；γ_target＝(ρ_l/r_eff)^7/3中的r_eff为有效光斑半径、ρ_l为(一维)有效湍流半径。当激光光束照射在目标表面发射漫反射时，漫反射表面会产生一系列独立并且随机相位的光束，当这些光束相互干涉就会产生强度随机分布的散斑。目标反射的散斑元的概率分布分布函数：

这里M为探测器可以探测到的散斑元数，表示为M＝D_rec/D_sp；D_rec是接收口径；D_sp＝λ/φ，λ为激光波长，φ为光束发散角；Γ(M)为伽玛函数，即：

考虑到激光雷达测距系统在探测过程中，尤其在恶劣的探测环境下，回波信号受到各种散斑噪声干扰，严重影响了系统的测距精度，限制了激光雷达的应用，需要滤除激光雷达回波信号的散斑噪声。

发明内容

为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明旨在提供一种激光雷达回波信号散斑噪声的滤除方法，巧妙利用激光发射信号作为参考信号进行搜索匹配，通过独立成分分析算法分解寻找最优匹配位置，从而完成回波脉冲信号与散斑噪声的有效分离。