本文關鍵詞：激光雷達回波信號增強與波形分解

  更多相關文章： 三維激光雷達 系統(tǒng)仿真建模 激光信號去噪 激光信號平滑 激光信號分解

【摘要】：相比于目前其它的成像技術(如合成孔徑雷達、紅外、毫米波、可見光等),激光雷達技術可以用來直接獲得高精度的三維數(shù)據,形成更豐富的圖像信息(包括3D范圍圖像,灰度圖像等)與抗干擾(如電磁,背景,和陽光)能力。正因為如此,激光三維雷達正成為主動式成像探測的一個重要發(fā)展方面,得到我軍和外軍的高度重視。而由于激光器技術的限制、大規(guī)模APD陣列發(fā)展的不足,當前的一些三維激光雷達系統(tǒng)存在了一些不足,比如成像精度上不夠、激光掃描的速率較慢等。本文介紹了激光雷達的國內外發(fā)展動態(tài)、三維激光雷達測距原理,通過對其系統(tǒng)的仿真建模研究,建立了相應的系統(tǒng)模型,它分析了系統(tǒng)的關鍵特性,詳細分析了信號所經歷的噪聲環(huán)境,有助于信號處理算法的研究,給出了激光雷達的分析和建模,主要包括激光發(fā)射系統(tǒng)、大氣傳輸、地物目標和接收探測系統(tǒng)。本文提出了一種基于改進經驗模態(tài)分解的激光信號去噪算法,傳統(tǒng)的去噪方法中,小波去噪依賴于小波基的選取,不同的小波基對于去噪結果的影響不同,因此需要選取正確的小波基,因此無法自適應的去除噪聲；經驗模態(tài)分解算法將信號分解為不同的固有模態(tài)分量,認為噪聲處于高頻固有模態(tài)分量上,去除噪聲所處的固有模態(tài)分量,會造成有效信號的損失；傅里葉變換將信號從時域轉換到頻域上,因此會導致失去其時域特性,對于非平穩(wěn)信號有一定的局限性,可能會導致信號的折損。本文中提出了一種對高頻固有模態(tài)分量進行處理的改進經驗模態(tài)分解算法,不再簡單的舍棄噪聲所在分量,而是對其進行處理,減少了有效信號的損失。針對一些隨機噪聲產生的隨機點以及毛疵點需要進行平滑處理,否則會對后續(xù)的波形分解產生影響。本文介紹了首先用于天文數(shù)據中處理的vondrak平滑算法,該算法適用于非線性的數(shù)據,而激光回波信號是一種典型的非線性數(shù)據。本文中詳細介紹了該算法的原理以及其推導公式,以及其平滑因子的選取和平滑效果的評判。通過數(shù)據的分析和其他的平滑算法如五點三次平滑等算法進行對比,驗證了其有效性。針對傳統(tǒng)的基于LM算法的激光波形分解算法中認為激光模型為對稱的高斯模型,而實際系統(tǒng)中所用激光信號并不是對稱的,因此傳統(tǒng)算法中通過獲得對稱拐點來判斷回波的個數(shù)及脈寬是不準確的,同時LM算法的收斂性也與初值的設定有一定的關系。因此本文中提出了一種基于粒子群算法的激光雷達回波分解算法,通過根據背景噪聲設定閾值以及峰值檢測來獲取回波的個數(shù),而后通過粒子群算法獲取回波的脈寬以及強度信息,此時在擬合度上仍可以進一步的提高,再通過LM算法進行擬合,設定擬合度這項評判參數(shù),最終獲取單個回波的準確延時、脈寬和強度信息。通過對三種目標模型,高斯面模型、斜面模型以及建筑物模型的仿真與重建,證明了該算法的有效性。
【關鍵詞】：三維激光雷達 系統(tǒng)仿真建模 激光信號去噪 激光信號平滑 激光信號分解
【學位授予單位】：南京大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TN957.51
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 第一章 緒論10-18
• 1.1 論文研究背景10-11
• 1.2 國內外研究動態(tài)11-16
• 1.2.1 國外研究動態(tài)11-14
• 1.2.2 國內研究動態(tài)14-16
• 1.3 論文的研究重點和內容安排16-18
• 第二章 三維激光雷達信號建模18-30
• 2.1 脈沖激光測距原理18
• 2.2 激光雷達的雷達距離方程18-20
• 2.3 激光光束傳輸理論20-30
• 2.3.1 激光發(fā)射系統(tǒng)21-23
• 2.3.2 大氣傳輸23-24
• 2.3.3 地物目標反射24-26
• 2.3.4 接收探測系統(tǒng)26-27
• 2.3.5 背景光噪聲27-30
• 第三章 激光雷達回波信號去噪處理30-41
• 3.1 經驗模式分解31-33
• 3.1.1 固有模態(tài)函數(shù)31
• 3.1.2 EMD分解原理31-33
• 3.1.3 EMD去噪處理過渡IMF的問題33
• 3.2 分數(shù)階傅里葉變換33-34
• 3.3 數(shù)據處理與驗證34-40
• 3.4 章節(jié)小結40-41
• 第四章 激光雷達回波信號平滑及峰值檢測41-51
• 4.1 Vondrak算法41-47
• 4.1.1 Vondrak算法原理41-45
• 4.1.2 平滑因子選取及質量評定45-47
• 4.2 峰值檢測47-48
• 4.3 數(shù)據分析與驗證48-50
• 4.4 章節(jié)小結50-51
• 第五章 激光雷達回波信號分解與擬合51-60
• 5.1 激光波形模型51-52
• 5.2 粒子群算法52-54
• 5.2.1 粒子群算法概述52-53
• 5.2.2 粒子公式53-54
• 5.3 LM算法54-55
• 5.4 基于改進粒子群算法的激光雷達回波信號分解算法55-60
• 第六章 全文總結與前景展望60-62
• 6.1 論文總結60-61
• 6.2 未來工作展望61-62
• 參考文獻62-67
• 致謝67-68
• 攻讀碩士學位期間科研成果68-69

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