基于經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸馀c分?jǐn)?shù)階傅里葉變換的激光回波去噪方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于激光雷達數(shù)據(jù)處理技術(shù)領(lǐng)域，具體是指一種結(jié)合了經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸?、頻 譜分析以及分?jǐn)?shù)階傅里葉變換的激光雷達回波去噪方法。適用于激光雷達回波數(shù)據(jù)的預(yù)處 理。
【背景技術(shù)】
[0002] 激光雷達回波信號中不可避免的會存在各種噪聲，噪聲的存在影響激光數(shù)據(jù)的處 理和解釋。噪聲的壓制與消除有著多種多樣的方法，其中典型的代表就是小波域方法，小波 濾波的機理是基于信號與噪聲的小波系數(shù)在尺度上的不同性質(zhì)，采用相應(yīng)準(zhǔn)則對含噪小波 系數(shù)進行處理，從而達到去噪目的，是近二十幾年來時頻分析研宄的熱點。該方法的基本步 驟如下：首先選擇合適的小波基、確定分解層次、對含有噪聲的原始信號作小波變換，然后 選取閾值函數(shù)，利用門限處理相應(yīng)的小波系數(shù)，獲得新的小波系數(shù)，最后進行小波逆變換， 獲得去噪后的信號。然而小波域變換在本質(zhì)上仍然是一種線性變換，并且對于小波基的選 擇具有依賴性，不具有自適應(yīng)性。而激光雷達信號是一種典型的非線性非平穩(wěn)信號。
[0003] Huang等人提出了一種新的時域信號處理方法：經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸猓‥mpirical Mode Decomposition，EMD)，EMD的最大優(yōu)點是可以自適應(yīng)的從數(shù)據(jù)中得到基函數(shù)，克服了小波變 換中要選取合適的小波基的困難，根據(jù)信號時間尺度的不同，EMD將信號分解為幾個不同頻 帶尺度的時域信號分量，從瞬態(tài)尺度（高頻模態(tài)）到粗糙尺度（低頻模態(tài)）。實際應(yīng)用中， 噪聲往往處于高頻部分，然而，簡單的舍棄高頻分量會導(dǎo)致有效信號的損失，而舍棄過少的 高頻分量會導(dǎo)致信號去噪效果不明顯。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是基于激光雷達系統(tǒng)，開發(fā)一種具有良好的去噪特性的基于經(jīng)驗?zāi)?式分解及分?jǐn)?shù)階傅里葉變換的激光雷達回波去噪方法。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種基于經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸饧胺謹(jǐn)?shù)階傅里葉變換的激光雷達回 波去噪方法，包括以下步驟：
[0006] (1)依據(jù)實際所用激光系統(tǒng)，獲取激光雷達回波數(shù)據(jù)信號；
[0007] (2)對獲取的激光雷達回波數(shù)據(jù)信號作經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸?，得到若干個不同層次的固 有模態(tài)函數(shù)，并確定其中的高頻及過渡固有模態(tài)函數(shù)；
[0008] (3)對系統(tǒng)實際打出的不含噪聲的理想激光回波信號作分?jǐn)?shù)階傅里葉變換，分析 這一階上的信號頻譜；
[0009] (4)對步驟⑵中所得的高頻及過渡固有模態(tài)函數(shù)作分?jǐn)?shù)階傅里葉變換，并根據(jù) 所得理想激光回波信號的頻譜分析，對進行分?jǐn)?shù)階傅里葉變換后的高頻及過渡固有模態(tài)函 數(shù)進行帶通濾波；
[0010] (5)對帶通濾波后的信號進行逆分?jǐn)?shù)階傅里葉變換；
[0011] (6)將步驟（5)中處理后的固有模態(tài)函數(shù)分量與步驟⑵中除高頻及過渡固有模 態(tài)函數(shù)外的剩余未處理的固有模態(tài)函數(shù)分量重構(gòu)，得到去噪后的信號。
[0012] 進一步的，步驟（2)中對獲取的激光雷達回波數(shù)據(jù)信號作經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸?，得到?干個不同層次的固有模態(tài)函數(shù)，若分解得到的第一固有模態(tài)函數(shù)中噪聲含量接近全部時， 則直接刪去，再在剩余的固有模態(tài)函數(shù)中確定高頻及過渡固有模態(tài)函數(shù)。
[0013] 進一步的，步驟（2)對獲取的激光雷達回波數(shù)據(jù)信號作經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸猓玫饺舾?個不同層次的固有模態(tài)函數(shù)；具體如下：
[0014] 對于一個激光雷達回波數(shù)據(jù)信號X (t)，假設(shè)原始殘差信號為Γ(ι (t) = X (t)，通過 EMD獲得固有模態(tài)函數(shù)的步驟為：
[0015] ②識別出信號x(t)的所有極大值點和極小值點，分別擬合出信號x(t)的上、下包 絡(luò)線6_(1：)、6 1。￥(1：)，計算上下包絡(luò)線的平均值1]11(1：):
【主權(quán)項】
1. 基于經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸饧胺謹(jǐn)?shù)階傅里葉變換的激光雷達回波去噪方法，其特征在于：包 括以下步驟： (1) 依據(jù)實際所用激光系統(tǒng)，獲取激光雷達回波數(shù)據(jù)信號； (2) 對獲取的激光雷達回波數(shù)據(jù)信號作經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸?，得到若干個不同層次的固有模 態(tài)函數(shù)，并確定其中的高頻及過渡固有模態(tài)函數(shù)； (3) 對系統(tǒng)實際打出的不含噪聲的理想激光回波信號作分?jǐn)?shù)階傅里葉變換，分析這一 階上的信號頻譜； (4) 對步驟（2)中所得的高頻及過渡固有模態(tài)函數(shù)作分?jǐn)?shù)階傅里葉變換，并根據(jù)所得 理想激光回波信號的頻譜分析，對進行分?jǐn)?shù)階傅里葉變換后的高頻及過渡固有模態(tài)函數(shù)進 行帶通濾波； (5) 對帶通濾波后的信號進行逆分?jǐn)?shù)階傅里葉變換； (6) 將步驟（5)中處理后的固有模態(tài)函數(shù)分量與步驟（2)中除高頻及過渡固有模態(tài)函 數(shù)外的剩余未處理的固有模態(tài)函數(shù)分量重構(gòu)，得到去噪后的信號。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸饧胺謹(jǐn)?shù)階傅里葉變換的激光雷達回波去 噪方法，其特征在于：步驟（2)中對獲取的激光雷達回波數(shù)據(jù)信號作經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸?，得到?干個不同層次的固有模態(tài)函數(shù)，若分解得到的第一固有模態(tài)函數(shù)中噪聲含量接近全部時， 則直接刪去，再在剩余的固有模態(tài)函數(shù)中確定高頻及過渡固有模態(tài)函數(shù)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸饧胺謹(jǐn)?shù)階傅里葉變換的激光雷達回波去 噪方法，其特征在于：步驟（2)對獲取的激光雷達回波數(shù)據(jù)信號作經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸猓玫饺舾?個不同層次的固有模態(tài)函數(shù)；具體如下： 對于一個激光雷達回波數(shù)據(jù)信號X (t)，假設(shè)原始殘差信號為Γ(ι (t) = X (t)，通過EMD獲 得固有模態(tài)函數(shù)的步驟為： ① 識別出信號x(t)的所有極大值點和極小值點，分別擬合出信號x(t)的上、下包絡(luò)線 eupp(t)、elOT(t)，計算上下包絡(luò)線的平均值叫⑴：
② 將x(t)減去Hi1 (t)得到Ill (OJfh1 (t)視為新的X (t)，重復(fù)步驟①，激光雷達回波 數(shù)據(jù)信號x(t)經(jīng)過k次篩選，直到hk(t)是基本MF分量，即從原始數(shù)據(jù)中處理得到第一 個固有模態(tài)函數(shù)分量h lik(t)，它包含原始信號中最短的周期分量； ③ 定義C1 (t)，C1 (t) = Ii1, k (t)，從原始信號中分離出C1 (t)，得到： T1 (t) = X (t)-C^t); ④ 因剩余部分A (t)仍然包含較長周期分量的信息，所以rl(t)仍被當(dāng)作新的x(t)按 以上相同的處理過程來處理；該處理過程可對所有的接下來的剩余分量 rj(t)進行處理，得 到如下結(jié)果：
⑤X (t)最終表TK為：
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸馀c分?jǐn)?shù)階傅里葉變換的激光雷達回波去噪算法，包括經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸狻⑦x取高頻及過渡固有模態(tài)函數(shù)、分?jǐn)?shù)階傅里葉變換、實際信號分?jǐn)?shù)階傅里葉變換頻譜分析、帶通濾波、逆分?jǐn)?shù)階傅里葉變換以及信號重構(gòu)。通過經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸鈱⑿盘柗纸鉃椴煌l帶尺度的時域信號分量，選取特定的固有模態(tài)函數(shù)(Intrinsic Mode Function，IMF)，對其作分?jǐn)?shù)階傅里葉變換，濾波后重構(gòu)信號，提高去噪效果。
【IPC分類】G01S7-48
【公開號】CN104635223
【申請?zhí)枴緾N201510010380
【發(fā)明人】王元慶, 戴璨, 梁冬冬, 蘇金善
【申請人】南京大學(xué)
【公開日】2015年5月20日
【申請日】2015年1月8日