激光雷达回波信号及处理方法分析

激光雷达回波信号及处理方法分析

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mti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：tn958.98 文献标识码：a 文章编号：1674-7712 （2013） 08-0000-01

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。

一、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[1]。

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10-5wcm-2nm-1s-1，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0.7um以后的波长区域，在小于0.3um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，另一方面，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raman 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[2]。

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）mti方法

mti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mti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n2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

standard median filter简称sm，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[2]。

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mean-based fast median filter简称mfm，均值加速的方法进行中值滤波。

mfm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mti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：

[1]刘智深，宋小全，刘金涛，张凯临.非相干脉冲激光多普勒雷达测速技术[j].科学通报，2001，46（24）：2080-2085.

[2]j.g.hawley，r.targ，et al.，coherent launch-site atmospheric wind sounder：theory and experiment，appl.opt.，1993，32：4557.