[发明专利]一种基于块匹配3D协同滤波的激光雷达回波信号信噪比提升方法

说明书

本发明公开了一种基于块匹配3D协同滤波的激光雷达回波信号信噪比提升方法，包括：输入预处理后的原始信号；基于参考块以块匹配技术建立3D图像集；结合3D线性变换和硬阈值滤波获得硬阈值滤波评估结果；改变参考块位置并遍历整个图像，对所有硬阈值滤波评估结果加权求和得到基本评估结果；以基本评估结果进行块匹配，建立基本估计结果和原始信号的3D图像集；结合3D线性变换和维纳滤波得到维纳滤波评估结果；改变参考块位置并遍历整个图像，对所有维纳滤波评估结果加权求和得到最终评估结果；反预处理得到信噪比显著提升的激光雷达回波信号。本发明综合考虑激光雷达回波信号的时、空维度信息，能在较高时空分辨率下提高回波信号的信噪比。

技术领域

本发明属于大气气溶胶遥感激光雷达技术领域，尤其是涉及一种基于块匹配3D协同滤波的激光雷达回波信号信噪比提升方法。

背景技术

激光雷达作为一种全天时连续监测的主动遥感技术，具有遥测距离远、空间分辨率高、测量精度高等优势，目前正广泛应用于地球科学、气象学和生态环境监测等领域。激光雷达回波信号强度随着距离增大而衰减，并且不可避免地受到探测系统电噪声与太阳背景噪声的干扰，其信噪比是限制激光雷达技术发展的一个重要因素。提高激光雷达回波信号的信噪比从而提高激光雷达系统的反演精度是一个必须面对和解决的挑战。

目前，可以从硬件优化和软件算法去噪两个方面提高激光雷达回波信号信噪比。

硬件方法通过加大激光功率和采用窄带滤光片等方式来实现，但需要增加激光雷达的硬件成本。软件算法去噪目前主要通过脉冲时间累积以及空间滤波方法实现：脉冲时间累积通过牺牲回波信号的时间分辨率来提高信噪比；空间滤波主要由小波(Wavelets)滤波，高斯滤波，Savitzky-Golay(SG)滤波，卡尔曼(Kaman)滤波，Empirical ModeDecomposition(EMD)滤波等滤波方式实现，通过牺牲信号空间分辨率来提高信噪比。不同的滤波方式能够针对不同特征的信号取得较好的信噪比提升效果。然而，脉冲时间累积和空间滤波仅分别考虑激光雷达回波信号时间维度或空间维度，没有综合考虑回波信号的时空分布特点。

实际上，激光雷达回波信号具有高时空分辨率的特点，并在时间、空间两个维度均具有高相关性。因此，综合考虑回波信号的时空维度信息，在较高的时空分辨率下提高回波信号信噪比对激光雷达发展具有重要意义。

发明内容

针对上述激光雷达回波信号信噪比提升算法的不足，本发明提供了一种基于块匹配3D协同滤波的激光雷达回波信号信噪比提升方法，该方法综合利用回波信号时空信息，旨在解决激光雷达回波信号信噪比较低而导致的信号反演精度受限问题。

为了实现上述目的，本发明基于激光雷达时空两维回波信号，提出了一种基于块匹配3D协同滤波(BM3D)的激光雷达信噪比提升方法，包括以下步骤：

(1)输入激光雷达回波信号V(x)及其高斯噪声标准差σ；

(2)依据激光雷达回波信号的不同采集模式，对激光雷达回波信号进行相应预处理，获得算法输入信号u(x)；

(3)确定初始噪声图像中参考块P尺寸k^hard×k^hard和搜索区域范围n^hard×n^hard，利用2D线性变换和硬阈值滤波，获得与参考块P相关性最大的N^hard个相似块，堆聚成3D图像集N^P；

(4)对3D图像集N^P进行3D线性变换，通过硬阈值滤波收缩变换域系数，再进行反3D线性变换以及图像位置复原，得到硬阈值评估结果u^hard(x)；

(5)通过设定的平移步长逐渐改变参考块P位置，重复步骤(3)和(4)，并遍历整幅噪声图像，得到整幅图像不同位置的硬阈值评估结果，并对硬阈值评估结果加权求和获得每个像素的基本评估结果u^basic(x)；