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技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

A method of improving SNR of lidar echo signal based on block matching 3D collaborative filtering

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术属于大气气溶胶遥感激光雷达
，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。
技术介绍
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，EmpiricalModeDecomposition(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。
技术实现思路
针对上述激光雷达回波信号信噪比提升算法的不足，本专利技术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，本专利技术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khard×khard和搜索区域范围nhard×nhard，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Nhard个相似块，堆聚成3D图像集NP；(4)对3D图像集NP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uhard(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ubasic(x)；(6)以每个像素的基本评估结果ubasic(x)进行块匹配，确定参考块以及块匹配相关参数，获得相关性最大的Nwien个相似块，以相同的顺序将基本评估结果ubasic(x)和算法输入信号u(x)堆聚成两个3D图像集，分别对应Nbasic,P和NP；(7)对3D图像集Nbasic,P和NP进行3D线性变换，利用3D图像集Nbasic,P的变换谱系数计算维纳滤波收缩系数并用于收缩NP的变换谱系数，再进行反3D线性变换以及图像位置复原，获得图像的维纳滤波评估结果uwien(x)；(8)与步骤(5)类似，通过滑动步长改变参考块位置并遍历整个噪声图像，对所有参考块的维纳滤波评估结果uwien(x)进行聚合，加权求和获得每个像素的基本评估结果ufinal(x)；(9)根据步骤(2)，将图像ufinal(x)反变换，获得经滤波后信噪比提升后的激光雷达回波信号。步骤(2)中，对于模拟探测和光子计数探测的激光雷达回波信号采用不同的方式进行预处理，其中，对于模拟探测激光雷达回波信号进行预处理的公式如下：式中，i＝1,2,3…为不同时间的回波单廓线序号，Vi(r)为激光雷达廓线回波信号，r为距离，Vi,b为背景噪声；对于光子计数探测的激光雷达回波信号进行预处理时，进行Anscombe变换，使得回波信号噪声模型由Poisson分布转变为类高斯分布，具体公式如下：式中，Vi(r)为激光雷达廓线回波信号。步骤(3)中，获得与参考块P相关性最大的Nhard个相似块的步骤如下：利用图像块间的归一化二次距离判断两个图像相关性，距离越大，则相关性越小，反之亦然，归一化二次距离d(P,Q)表示为：式中，为2D线性变换，γ'为硬阈值操作，其阈值为当变换域系数小于该阈值时，置0；否则，则保持不变；khard为参考块尺寸；设定距离阈值为τhard，相似块集合Μ(P)可以表示为：Μ(P)＝{Q:d(P,Q)≤τhard}选择满足要求的距离最小的Nhard个相似块，堆聚成3D图像集NP，且无须考虑图像块堆放顺序。步骤(4)中，对3D图像集NP进行3D线性变换包括2D线性变换和1D线性变换两个步骤；硬阈值滤波通过将小于阈值的变换域系数置0，而使得大于阈值的变换域系数不变；最终将收缩后的系数进行反3D线性变换并恢复到原始图像位置；硬阈值评估结果uhard(x)由下式计算获得：式中，操作符Γ代表将3D图像集恢复到原图像位置，Nhard,P为经过硬阈值滤波后的3D图像集，为进行3D线性变换，为反3D线性变换，γ为硬阈值滤波操作。步骤(5)中，基本评估结果ubasic(x)的计算公式如下：式中，χQ(x)是像素x处的权值，当像素点属于相似块集合Μ(P)时，χQ(x)＝1，否则，其值为0；Q为参考块P对应的相似块，Μ(P)为对应的相似块集合，代表当参考块为P时，相似块Q的硬阈值滤波估计值；是聚合的权重，按下式计算获得：式中，为硬阈值操作后的非零变换域系数数量。步骤(7)中，维纳滤波收缩系数和维纳滤波评估结果uwien(x)按下式方法计算：式中，为3D线性变换，为反3D线性变换，Nwien,P为经过维纳滤波后的3D图像集。步骤(8)中，按下述方式计算ufinal(x)：式中，代表当参考块为P时，相似块Q的维纳滤波估计值。步骤(9)中，根据步骤(2)所做的信号预处理变换，当输入的信号为模拟探测的激光雷达回波信号时，进行去归一化处理；当输入的信号为光子计数探测激光雷达回波信号时，进行反Anscombe变换以获得信噪比提升的激光雷达回波信号。相较于现有的技术，本专利技术的信噪比提升方法，充分利用激光雷达回波信号局部相关的特性，能够实现在较大的时空分辨率下的回波信号信噪比的提升，对激光雷达回波信号反演精度的提升具有重本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于块匹配3D协同滤波的激光雷达回波信号信噪比提升方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(1)输入激光雷达回波信号V(x)及其高斯噪声标准差σ；/n(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)；/n(3)确定初始噪声图像中参考块P尺寸k

【技术特征摘要】
1.一种基于块匹配3D协同滤波的激光雷达回波信号信噪比提升方法，其特征在于，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khard×khard和搜索区域范围nhard×nhard，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Nhard个相似块，堆聚成3D图像集NP；
(4)对3D图像集NP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uhard(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ubasic(x)；
(6)以每个像素的基本评估结果ubasic(x)进行块匹配，确定参考块以及块匹配相关参数，获得相关性最大的Nwien个相似块，以相同的顺序将基本评估结果ubasic(x)和算法输入信号u(x)堆聚成两个3D图像集，分别对应Nbasic,P和NP；
(7)对3D图像集Nbasic,P和NP进行3D线性变换，利用3D图像集Nbasic,P的变换谱系数计算维纳滤波收缩系数并收缩NP的变换谱系数，再进行反3D线性变换以及图像位置复原，获得图像的维纳滤波评估结果uwien(x)；
(8)通过滑动步长改变参考块位置并遍历整个噪声图像，对所有参考块的维纳滤波评估结果uwien(x)进行聚合，加权求和获得每个像素的最终评估结果ufinal(x)；
(9)根据步骤(2)，将图像ufinal(x)反变换，获得经滤波后信噪比提升后的激光雷达回波信号。


2.根据权利要求1所述的基于块匹配3D协同滤波的激光雷达回波信号信噪比提升方法，其特征在于，步骤(2)中，对于模拟探测和光子计数探测的激光雷达回波信号采用不同的方式进行预处理，其中，对于模拟探测激光雷达回波信号进行预处理的公式如下：



式中，i＝1,2,3…为不同时间的回波单廓线序号，Vi(r)为激光雷达廓线回波信号，r为距离，Vi,b为背景噪声；
对于光子计数探测的激光雷达回波信号进行预处理时，进行Anscombe变换，使得回波信号噪声模型由Poisson分布转变为类高斯分布，具体公式如下：



式中，Vi(r)为激光雷达廓线回波信号。


3.根据权利要求1所述的基于块匹配3D协同滤波的激光雷达回波信号信噪比提升方法，其特征在于，步骤(3)中，获得与参考块P相关性最大的Nhard个相似块的步骤如下：
利用图像块间...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘东，肖达，郑卓凡，刘崇，张与鹏，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33