激光雷达系统数据处理方法技术方案

本发明专利技术公开了一种激光雷达系统数据处理方法，算法包括以下步骤：激光雷达系统采集时域信号，按照距离门划分时域信号并计算得到回波信号频谱，对回波信号频谱进行处理得到第一峰值频率和信噪比，计算有效风速估计的误差下限和第一径向风速估计值；对回波信号频谱进行处理，并计算出搜索频谱峰值位置时所被限定的频带范围，利用被限定的频带范围和处理后的频谱计算第二峰值频率以及计算第二径向风速估计值；利用所述误差下限和所述第二径向风速估计值，以高斯分布函数计算第一径向风速估计值对应的权重系数；使用加权正弦波拟合算法计算矢量风速结果。本发明专利技术在低信噪比下的性能好，计算速度快。

【技术实现步骤摘要】
激光雷达系统数据处理方法
本专利技术属于用于气象应用的激光雷达领域，特别是一种用于气象应用的激光雷达系统数据处理方法。
技术介绍
大气探测激光雷达是当今大气和气象观测的一个重要工具。利用特定的激光雷达可以获取距地面数百米至数公里处的风廓线分布。激光雷达系统的数据处理算法会极大程度地影响激光雷达系统在探测精确度、时间分辨率和有效数据获取率等指标上的性能表现。评价激光雷达系统数据处理方法的指标，主要包括处理的所需的时间、处理结果的精确度、低信噪比下结果的正确率、对扫描方向数量的需求。目前已有的数据处理算法，主要是DSWF、FSWF、MFAS算法。DSWF算法速度快，适合实时探测的激光雷达数据处理，但是在低信噪比下结果的正确率很低；FSWF、MFAS算法在低信噪比下结果的正确率都较高，但是需要大量的搜索或迭代运算，不适用于实时探测的激光雷达数据处理。随着激光器、探测器和数字化仪等系统组件性能的提升，激光雷达系统在单位时间内获取的回波数据数量有了大幅增长。对于风廓线的实时观测应用，亟需一种能够兼具计算耗时较少、在低信噪比条件下正确率高——这两项优点的数据处理方法。在
技术介绍
部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本专利技术背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，本专利技术提出一种激光雷达系统数据处理方法，利用激光雷达系统参数和探测获取的回波信号频谱结果，快速计算风廓线，且在低信噪比下仍有较高的正确率。本专利技术的目的是通过以下技术方案予以实现：一种激光雷达系统数据处理方法包括以下步骤：第一步骤中，激光雷达系统采集时域信号，按照距离门划分时域信号并计算得到回波信号频谱，对回波信号频谱进行处理得到第一峰值频率和信噪比，利用第一峰值频率、信噪比以及激光雷达系统参数计算有效风速估计的误差下限和第一径向风速估计值；第二步骤中，对回波信号频谱进行处理，并计算出搜索频谱峰值位置时所被限定的频带范围，利用被限定的频带范围和处理后的频谱计算第二峰值频率，利用第二峰值频率以及激光雷达系统参数计算第二径向风速估计值；第三步骤中，利用所述误差下限和所述第二径向风速估计值，以高斯分布函数计算第一径向风速估计值对应的权重系数；第四步骤中，利用多个径向上的第一径向风速估计值、所述权重系数和激光雷达系统参数，使用加权正弦波拟合算法计算矢量风速结果。所述的方法中，回波信号频谱可以为功率谱、幅度谱，或是多次脉冲回波的频谱的累加或平均。所述的方法中，回波信号频谱包括大气中目标微粒的多普勒回波频谱以及噪声的频谱。所述的方法中，第一步骤中，所述回波信号频谱的处理是频谱噪声基线的平坦化，利用平坦化后的频谱计算第一峰值频率和信噪比，基于所述回波第一峰值频率、信噪比以及激光雷达系统参数计算有效风速估计的误差下限和第一径向风速估计值。所述的方法中，第一步骤中，计算有效风速估计的误差下限采用的参数包括激光波长、对回波信号进行模数转换的采样率、回波信号频谱累加(或平均)脉冲数、距离门内采样点数、归一化激光脉冲频谱宽度和信噪比。所述的方法中，第一步骤中，计算所述第一径向风速估计值的参数包括激光波长、激光器出射激光与本振激光频率差值、发射系统与接收系统的夹角和第一峰值频率。所述的方法中，第二步骤中，所述回波信号频谱的处理包括依次进行谱拼接、二维低通滤波、一维二阶差分、标准化、二值化和连通域查找，搜索频谱峰值位置时所被限定的频带范围是根据连通域查找的结果划定的频带范围，利用一维二阶差分或标准化的频谱计算在限定的频带范围内的第二峰值频率.所述的方法中，第二步骤中，计算所述第二径向风速估计值的参数包括激光波长、激光器出射激光与本振激光频率差值、发射系统与接收系统的夹角和第二峰值频率。所述的方法中，第三步骤中，高斯分布函数以第一径向风速估计值为输入自变量，利用有效风速估计的误差下限计算标准差，以第二径向风速估计值为期望，得到的概率密度值为权重系数的计算结果。所述的方法中，所述激光雷达系统参数至少包括激光波长、激光器出射激光与本振激光频率差值、发射系统与接收系统的夹角、对回波信号进行模数转换的采样率、回波信号频谱累加脉冲数或平均脉冲数、距离门内采样点数、归一化激光脉冲频谱宽度和激光探测指向的方位角与俯仰角。和现有技术相比，本专利技术具有以下优点：本专利技术在处理数据时花费时间少，且在低信噪比条件下的结果仍具较高的正确率。附图说明通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本专利技术各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本专利技术的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：图1是本专利技术的激光雷达系统数据处理方法的步骤示意图；图2是本专利技术一个具体实施例的平坦化和查找到的峰值的示例结果；图3是本专利技术的一个实施例的第一步骤的第一径向风速估计值和有效风速估计的误差下限的示例结果；图4是本专利技术的一个实施例的第二步骤的谱拼接的示例结果；图5是本专利技术的一个实施例的第二步骤的二维低通滤波的示例结果；图6是本专利技术的一个实施例的第二步骤的一维二阶差分的示例结果；图7是本专利技术的一个实施例的第二步骤的二值化、连通域查找和搜索频谱峰值位置时所被限定的频带范围的示例结果；图8是本专利技术的一个实施例的第二步骤的径向风速估计值的示例结果；图9是本专利技术的一个实施例的第三步骤的权重系数的示例结果；图10是本专利技术的一个实施例的第四步骤的矢量风速的示例结果与其他两种常见算法的对比结果。以下结合附图和实施例对本专利技术作进一步的解释。具体实施方式下面将参照附图图1至图10更详细地描述本专利技术的具体实施例。虽然附图中显示了本专利技术的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本专利技术而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本专利技术，并且能够将本专利技术的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本专利技术的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本专利技术的范围。本专利技术的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。为便于对本专利技术实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种激光雷达系统数据处理方法，所述方法包括以下步骤：/n第一步骤(S1)中，激光雷达系统采集时域信号，按照距离门划分时域信号并计算得到回波信号频谱，对回波信号频谱进行处理得到第一峰值频率和信噪比，利用第一峰值频率、信噪比以及激光雷达系统参数计算有效风速估计的误差下限和第一径向风速估计值；/n第二步骤(S2)中，对回波信号频谱进行处理，并计算出搜索频谱峰值位置时所被限定的频带范围，利用被限定的频带范围和处理后的频谱计算第二峰值频率，利用第二峰值频率以及激光雷达系统参数计算第二径向风速估计值；/n第三步骤(S3)中，利用所述误差下限和所述第二径向风速估计值，以高斯分布函数计算第一径向风速估计值对应的权重系数；/n第四步骤(S4)中，利用多个径向上的第一径向风速估计值、所述权重系数和激光雷达系统参数，使用加权正弦波拟合算法计算矢量风速结果。/n

【技术特征摘要】
1.一种激光雷达系统数据处理方法，所述方法包括以下步骤：
第一步骤(S1)中，激光雷达系统采集时域信号，按照距离门划分时域信号并计算得到回波信号频谱，对回波信号频谱进行处理得到第一峰值频率和信噪比，利用第一峰值频率、信噪比以及激光雷达系统参数计算有效风速估计的误差下限和第一径向风速估计值；
第二步骤(S2)中，对回波信号频谱进行处理，并计算出搜索频谱峰值位置时所被限定的频带范围，利用被限定的频带范围和处理后的频谱计算第二峰值频率，利用第二峰值频率以及激光雷达系统参数计算第二径向风速估计值；
第三步骤(S3)中，利用所述误差下限和所述第二径向风速估计值，以高斯分布函数计算第一径向风速估计值对应的权重系数；
第四步骤(S4)中，利用多个径向上的第一径向风速估计值、所述权重系数和激光雷达系统参数，使用加权正弦波拟合算法计算矢量风速结果。


2.根据权利要求1所述的方法，其中，优选的，回波信号频谱可以为功率谱、幅度谱，或是多次脉冲回波的频谱的累加或平均。


3.根据权利要求1所述的方法，其中，回波信号频谱包括大气中目标微粒的多普勒回波频谱以及噪声的频谱。


4.根据权利要求1所述的方法，其中，第一步骤(S1)中，所述回波信号频谱的处理是频谱噪声基线的平坦化，利用平坦化后的频谱计算第一峰值频率和信噪比，基于所述回波第一峰值频率、信噪比以及激光雷达系统参数计算有效风速估计的误差下限和第一径向风速估计值。


5.根据权利要求1所述的方法，其中，第一步骤(S1)中，计算有效风速估计的误差下...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭磐，林瑞奇，张寅超，陈和，陈思颖，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11