激光雷达回波信号及处理方法分析

达的回波信 号有很 多种 ，例如 ：大气扰动噪声、 电噪声以及 背景噪 声等 ，本文就是通过对这 些大气探测的激光信号 进行分析研 究，并提 出了一定的降噪 方案 ，用来在一定程度上抑 制部分噪 声。利 用距 离校正的方法来获得探 测距 离。
消除物理噪声采用的是 ＭＴ Ｉ 的方法。设计合适的滤波器 ，选择适 当的截止频率，从 而去 除接收 系统的各器件导致的
高频 的 电噪 声。
关 键 词 ：激 光 雷达 ；回 波信 号 ；处理
中图分类号 ：Ｔ Ｎ９ ５ ８ ． ９ ８
文献标识码 ：Ａ
文章编号 ：１ ６ ７ ４ — ７ ７ １ ２（ ２ ０ １ ３ ）０ ８ — ０ １ ７ ８ — ０ １
够提高 Ｎ 倍 。这是 由于 同向相加 的信号是处于相邻 周期 的， 并 且是严 格同 向关 系的中频信号 ， 所 以相加之后电压变 为原来 的 Ｎ倍 ，功率也就变为原来 的 Ｎ ２ 倍 。各脉冲噪声都是独立 的、随 机 的，因此平均功率相加后噪声总功率变为原来的 Ｎ倍 ， 所 以 相 参积 累能够使信噪 比得到 Ｎ倍改善 。 多普勒脉冲激光雷达系 统 就采用 的是相参积累 。 当回波信号 的样本数据量较大时，受环境 因素 的影 响， 大 数据量 的平均能够导致大误差的发生 。 这 时可 以采用滑动平均 以及部分平均 的方法进行处理 。 滑动平均是用新数据替换老数 据 ，以滑动窗 口的方式对数据串进行 处理 。 部分平均是将数据 平均分组 ， 然后进行平均。用滑动 平均和部分平均 的方式处理 大数据量 的回波信号 ，可 以得 到信 号中重要参数 的变化状况 。 （ 四）中值滤波 。ｓ ｔ ａ ｎ ｄ ａ ｒ ｄ ｍ ｅ ｄ ｉ ａ ｎ ｆ ｉ ］ ｔ ｅ ｒ简称 Ｓ Ｍ ，中 值滤波算法 的关键是快速排序。主要流程是：在所有需排序的 元素中随机选择任意元素 ，以这一元素为基准 ，将其他元素和 其对 比，如果 比基准元素小 ，就放在基准元素前面，如果 比基 准元素大就放在基准元素后面。一轮排序完成后 ，按基准元素 位置将整个元素集合分界成两部分。然后重复上一个对 比排序 过程，直到每部分只有一个元素为止 。最后选取中间位置 的元 素值作为输 出数据 。 中值滤波属于排 序滤 波器 的一种 ， 主要是寻找滤波子窗经 过排序后的像素的中间值 。由此可见 ，中值滤波没有必要对所 有 的数据进行排序， 只 要能够快速找 出中间值就可 以。为了以 更快的速度 找出中间值 ，可以采用 ｍ ｅ ａ ｎ －ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｆ ａ ｓ ｔ ｍ ｅ ｄ ｉ ａ ｎ ｆ ｉ ｉ ｔ ｅ ｒ简称 Ｍ Ｆ Ｍ ，均值加速 的方法进行中值滤波 。 Ｍ Ｆ Ｍ的基本流程 ：首先将滤波子窗的所有元素进行求平均 值的计算 ，将大于等于这个平均值 的元素归为一个集合 ，将小 于平均值 的元素归为另一集合，对 比两个集合 中的元素数量， 将元素少 的集合舍弃，对于元素数量大的集合再次重复 以上操 作。当分解 出的两个集合均 比原始集合元素 的总量的一半少时 停止。 最后对分解后的其 中一个集合进行快速排序得到中间值。 四 、 小 结 激 光雷达的回波信号有很 多种 ，例如：大气扰动噪声、电 噪声以及背 景噪声等 ， 通过对这些大气探测的激 光信 号进行分 析研究，并提 出了一定 的降噪方案 ， 用来在一定程度上抑制部 分噪声。利用距离校正 的方法来获得探测距离 。 消除物理 噪声 采 用的是 Ｍ Ｔ Ｉ的方法 。设计合适 的滤波器 ， 选择适 当的截止频 率 ，从 而去 除接 收系统 的各器件导致的高频的电噪声。 在 实际工作 中要综合运用各种方法 ， 从而提 高激光雷达系 统 的可靠性 、稳 定性 以及准确性 。 参 考文献：
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随着雷达技术的不断提升 ， 用于提供气象服务的雷达激光 系统需要在 可靠性 、灵活性 以及稳定性等方面做 大幅度 的提 升 。为了满足气象服务 的需求，激光雷达系统 的时效性、精确 性 以及 监测 范围等都 需要提 出更严格的规范和要求。因此 ， 需 要根据 测风激光 雷达 的工作原理和工作特征， 并且 结合气象服 务 对于 激光 雷达系统 的需求 ， 比拟多普勒微波天气雷达系统 的 运 行模 式， 对 比传统激光雷达的测量手段 ， 进一步制定用于气 象 服务 的测风雷达系统的运行规范 。 回波信号 测风激光雷达系统包括四部分：发射激光部分 、 接受信号 部分 、采集处理信号部分。信号 由接受系统接受，再经过信号 处理系统进行控制处理 ， 最后转变 为我们需要 的确切 的风场信 息 。多普勒激光雷达系统接收到的是成 指数衰减 的回波信号 。 距离越大 ，相应 的噪声越大，接收到的信 号能量越小 。 二 、噪 声 （ 一） 背景噪声。 激 光雷达系统 中由激光导致的噪声 以及 自然噪声都属于背景噪声。 自然 噪声大部分是 由月光、太阳光等造成的噪声。当激光 雷达系统工作在 白天时，地面以及天空散射太 阳光所 导致 的噪 声是其主要作用的背景噪声 。在天空晴朗的情况下，由太 阳光 辐射所导致 的散射分配到单位面积 ，相应的单位波长 的功率密 度的峰值 （ 可见光区域）高达 １ ０ — ５ １ 】 ｌ 『 ｃ Ｓ ，由大气中的二氧 化碳以及水蒸气等吸收红外辐射所导致的很 多凹陷大部分 出现 在０ ． ７ ｕ ｍ以后 的波长区域，在小于 ０ ． ３ ｕ ｍ的区域 内急剧下 降主 要是由于紫外辐射被地表上空的臭氧层大量吸收所导致 的。 （ 二） 干扰散射 。当激光作用 于物质 时，在导致 多种类 型 散射的 同时，也能够导致荧光 的产生 ， 很多激光雷达 系统是 以 荧光信号为主的，这样相互作用产生 的散射就成为 了噪声，另 方面，很多激光 雷达基础是散射信号，那就可能被 荧光信 号 所干扰。 激光后 向散射能够 限制 Ｒ ａ ｍ ａ ｎ激光散射 雷达 以及荧光 激光雷达的探测灵敏度 。 这主要是 由两方面决定的： 一是雷达 设计存在缺 陷， 激光近场波长的后 向散射 可能在谱分析之前 由 元器件产 生荧光 ，以及导致探测器进入饱和状态。 二是选择发 射谱 不合 理，有用信号和后 向反射一起传送到探测系统 。 三 、 噪声 处 理 （ 一） 校 正距离 。 激光雷达系统的探测距 离是通过对数据 信 息进行平方校正得到 的， 这样就能够将有用信号从接收到 的 信 号中筛选 出来 。 （ 二）Ｍ Ｔ Ｉ 方法 。Ｍ Ｔ Ｉ能够在严 峻的电磁环境 中处理抗干 扰信号 。回波信号 中背景噪声的消除就是采用 的 Ｍ Ｔ Ｉ的方法 。 也可 以通过暗计数 即直接去除信号 中的背景噪声 的方法来消 除背景噪声 。 （ 三） 平均信号。 激 光雷达系统在实 际工作过程 中都要检 测多个脉冲 ， 然后将多个脉冲进 行合并平均 ， 这样就可 以有效 提高雷达系统的信噪 比、灵敏度和准确度 。 利用相参累积的方法处理 Ｎ 个等 幅的脉冲信号 ， 信噪 比能
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激光雷达回波信号及处理方法分析
张 洪水
（ ９ ２ ７ ８ ５部 队，河北秦皇 岛 ０ ６ ６ ２ ０ ０）
摘 要 ：本文研 究的主要 内容是 用数 字信号处理的方法来处理和分析用于大气探 测的激 光雷达 的信号 。激光雷