对高重叠高光谱激光雷达回波波形进行处理的方法和系统

本发明属于数据处理，尤其涉及对高重叠高光谱激光雷达回波波形进行处理的方法和系统。

背景技术：

1、在过去十年里，多光谱全波形激光探测和测距是提取光斑中三维多重空间结构的有效工具，融合光谱信息的点云被广泛应用于数据的解释和分类，不仅在遥感领域中极大地促进了植被检测、土地覆盖分类和三维城市地形建模等应用的发展，也在其他目标三维检测和识别等至关重要的领域产生了重大影响，如土木工程、文化遗产和地貌研究等。

2、为精确的获取激光足印中目标的属性信息，许多学者对激光雷达信号与目标作用的调制机理进行了研究，如将目标划分为小的微面(如平面、圆锥、球面等)，利用激光雷达方程计算各微面反射能量和微面延时，以获取目标调制的波形，而后通过这些回波波形特征以进行识别和分类。对于光斑中包含多个目标的回波波形，当前大部分研究集中在直接通过波形信号形状，或者波形分解去拟合回波波形，以反演光斑中多个目标的几何位置信息。

3、然而，当小激光足印内存在相邻距离较近且具有不同的光谱反射率的多目标(扩展目标)时，由目标几何位置(目标间隔距离、目标倾斜程度)和光谱因素的复杂耦合导致的重叠回波波形与单个目标回波波形形状相似，这种小足迹内多目标的多光谱回波调制模型和变化规律尚未被充分研究。

4、对于这种回波波形的处理方法，尽管现有技术提出过多光谱和高光谱波形分解方法，一定程度上借助光谱信息提升了距离分辨率，但这些方法都依赖于某个波段或者经过信号增强方法使原始回波波形出现形变，进而为波形分解的参数初始估计提供帮助。当目标的间隔距离进一步减小，或者目标存在角度关系时，现有的波形分解方法不能较好地克服上述多重因素耦合造成的不利影响，难以从重叠的回波中提取出多个波形分量的参数集以获取多目标的几何位置信息。

技术实现思路

1、本发明公开了一种单光子探测的运动目标全波形恢复方案，以解决运动目标光子回波的直方图畸变问题。

2、本发明第一方面提出一种对高重叠高光谱激光雷达回波波形进行处理的方法，所述方法包括：

3、步骤s1、对高重叠回波波形进行建模；具体包括：

4、步骤s101、基于有限元方法的单个微面元回波波形进行调制；

5、步骤s102、计算激光光斑积分范围；

6、步骤s103、利用调制的单个微面元回波波形和所述激光光斑积分范围计算高光谱激光雷达回波波形，作为经建模的高重叠回波波形；

7、步骤s2、对所述高重叠回波波形的高光谱激光雷达回波进行分解；具体包括：

8、步骤s201、对所述高重叠回波波形的高光谱激光雷达回波进行数据预处理，包括有效通道高选择、时域校正和滤波降噪；

9、步骤s202、利用单个偏正态模型拟合经所述数据预处理的多通道回波波形，以获取多通道回波波形的参数；

10、步骤s203、基于所述多通道回波波形的参数计算多通道偏度值，并通过设置权重获取叠加波形；

11、步骤s204、根据获取的叠加波形确定初始波形分量的位置；

12、步骤s205、利用高斯模型表征波形分量，对所述波形分量的参数信息进行优化，优化结果作为所述高重叠回波波形的高光谱激光雷达回波的分解结果；

13、步骤s206、对所述分解结果的正确性进行检验。

14、根据本发明第一方面的方法，在所述步骤s101中，激光回波的脉冲响应hλ(t)取决于表面特征，λ表示激光波长，ρλ表示双向反射率分布函数brdf，β表示面元法线与激光传输方向的夹角，对于扩展目标面元brdf以ρλcosβ计算，gλ(x,y)表示入射激光强度的空间分布，δ表示冲击响应函数，激光回波波形lλ(t)表示脉冲响应hλ(t)与入射脉冲波形q(t)的卷积，lλ(t)＝hλ(t)*q(t)，*表示卷积符号，激光的空间和时间分布均为高斯分布，τ表示脉冲激光宽度，pt表示总功率，ωλ表示z(x,y)点的特定波长激光束的半径，表示为表示波束发散角，则针对激光与目标作用时的单个目标面元，其回波波形调制公式为：

15、

16、根据本发明第一方面的方法，在所述步骤s102中，激光光束垂直照射在两个扩展目标上，对于前一个没有倾斜的目标，其光斑对应返回能量的计算按照半圆的面积s1积分；对于后一个旋转的扩展目标，基于投影关系其光斑为椭圆形，按照椭圆的面积s2进行积分；两部分积分限的计算方式分别如下所示：

17、

18、

19、根据本发明第一方面的方法，在所述步骤s103中，非平行双层次目标的回波数学调制模型表示为：

20、

21、其中，

22、根据本发明第一方面的方法，在所述步骤s201中，针对高光谱激光雷达多通道的回波进行所述数据预处理，包括对含有有效信息通道的保留和无效信息通道的剔除、多通道发射时间的统一校正以及之后的对多通道波形进行滤波降噪，滤波方式包括高斯滤波、小波滤波或者sg滤波，噪声阈值thresholdnoise的设置如下：

23、thresholdnoise＝μnoise+3σnoise

24、其中，μnoise和σnoise为回波波形信号开始和结束的平均值和标准差。

25、根据本发明第一方面的方法，在所述步骤s202中，利用单个偏正态模型拟合多通道的回波波形，获取多通道回波波形的参数，包括中心位置、脉宽、偏正态系数和偏度，其中，偏正态模型的数学公式如下：

26、

27、其中，a,s,α,f分别表示波形的强度幅值、中心位置、偏正态系数

28、半峰全宽，erf表示误差函数，λ代表不同波长；

29、根据拟合结果，若多通道拟合模型的中心位置随波长呈现非对称性和聚集性，则判定其为包含多目标的叠加回波波形，否则判定其仅包含单目标。

30、根据本发明第一方面的方法，在所述步骤s203中，计算所有通道平均的偏度大小，根据各通道的偏度参数相对该平均值的绝对距离进行权重设置，并基于权重值获取叠加的波形，计算方法为：

31、计算所有通道回波波形的偏度值，公式为：

32、

33、其中正态分布模型的偏度为0；

34、或者计算所有通道中偏度的平均值，并以该平均值为区分线boundary：

35、

36、其中，skewj代表第j个通道回波的偏度，n代表总共有n个光谱通道；

37、或者计算每个通道对应的偏度与该边界boundary的几何距离gap_skewj，所有几何距离的和sum_skew，权重因子power_skewj：

38、

39、

40、或者按照权重叠加各个通道的回波波形fj(t)，以获得基准波形echo1(t)：

41、

42、根据本发明第一方面的方法，在所述步骤s204中，获取距离区分线boundary最远的两个偏度，提取其对应的回波波形echo2(t)和echo3(t)，最大值位置分别记为sleft和sright；分别将echo2(t)与echo1(t)，echo3(t)与echo1(t)在时域上相减获得δecholeft(t)和δechoright(t)，所述最大值对应的位置为s1和s2；则两个叠加的子波形初始分量位置为：

43、

44、根据本发明第一方面的方法，在所述步骤s205中，初始化两个高斯模型分别代表两个波形分量，以获取两个参数组：

45、

46、

47、将所述两个参数组分别代入fi(t|ai,si,fi)中，进行trust-region或levenberg-marquardt参数优化。

48、本发明第二方面提出一种对高重叠高光谱激光雷达回波波形进行处理的系统。所述系统包括：

49、第一处理单元，被配置为，对高重叠回波波形进行建模；具体包括：

50、基于有限元方法的单个微面元回波波形进行调制；

51、计算激光光斑积分范围；

52、利用调制的单个微面元回波波形和所述激光光斑积分范围计算高光谱激光雷达回波波形，作为经建模的高重叠回波波形；

53、第二处理单元，被配置为，对所述高重叠回波波形的高光谱激光雷达回波进行分解；具体包括：

54、对所述高重叠回波波形的高光谱激光雷达回波进行数据预处理，包括有效通道高选择、时域校正和滤波降噪；

55、利用单个偏正态模型拟合经所述数据预处理的多通道回波波形，以获取多通道回波波形的参数；

56、基于所述多通道回波波形的参数计算多通道偏度值，并通过设置权重获取叠加波形；

57、根据获取的叠加波形确定初始波形分量的位置；

58、利用高斯模型表征波形分量，对所述波形分量的参数信息进行优化，优化结果作为所述高重叠回波波形的高光谱激光雷达回波的分解结果；

59、对所述分解结果的正确性进行检验。

60、本发明第三方面公开了一种电子设备。所述电子设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现本公开第一方面所述的一种对高重叠高光谱激光雷达回波波形进行处理的方法中的步骤。

61、本发明第四方面公开了一种计算机可读存储介质。所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现本公开第一方面所述的一种对高重叠高光谱激光雷达回波波形进行处理的方法中的步骤。

62、综上，本发明提出的技术方案基于有限元计算激光光斑的面积区域，对光斑内每个面元的回波波形进行积分，获取最终的波形仿真结果；对于多通道的高光谱激光雷达回波波形，基于测距分辨率增强确认回波中包含多个目标，由于不同目标的光谱反射率不同，高光谱激光雷达多通道测量回波波形的质心朝光谱反射率较高的目标或倾斜程度较低的目标偏移，通过获取受光谱因素或者倾角因素影响少的波形，与受这些因素影响最大的波形相减，其差值波形为揭示回波波形内波形的数量和空间位置信息均提供了有效提示。获取波形分量的位置信息，可进行有效地波形分解过程。