激光雷达回波信号及处理方法分析

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
高频 的 电噪 声。
关 键 词 ：激 光 雷达 ；回 波信 号． 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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Ｃ ｏ ｎ ｓ ｕ ｍｅ ｒ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ ｓ Ｍａ ｇ ａ ｚ ｉ ｎ ｅ ２ ０ １ ３年 ４月 下
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
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