[发明专利]一种星载光子计数激光雷达数据快速去噪滤波方法

说明书

本发明公开了一种星载光子计数激光雷达数据快速去噪滤波方法，该方法包括粗去噪和精细去噪两个过程，粗去噪过程中是根据总体噪声水平对星载光子计数激光雷达数据进行去噪，精细去噪过程依次通过计算椭圆距离搜索函数、计算KNN邻近距离、计算第K距离邻域、计算局部可达密度函数以及计算局部椭圆距离离群因子，从而对粗去噪后的结果进行精细去噪。本发明提供的星载光子计数激光雷达数据快速去噪滤波方法具有较高的运算效率和准确度，可以在不必对现有星载光子计数激光雷达系统的硬件架构进行任何改造的情况下，有效消除日间获取数据的强烈背景噪声，从而节约系统成本。

技术领域

本发明涉及激光雷达技术领域，具体而言，尤其涉及一种星载光子计数激光雷达数据快速去噪滤波方法。

背景技术

一般而言，激光雷达发射和接收信号的工作模式有两种，一种是脉冲模拟检测法(即全波形记录的激光雷达)，另一种是微脉冲光子计数法，这两种工作模式各有其优缺点，分别介绍如下：

脉冲模拟检测法首先发射能量较高，持续时间较长的信号(4～8ns)，然后激光接收器累积一定时间间隔内所有返回光子的能量，通过对累积能量的时间序列进行数模转换，得到激光雷达的全波形记录。基于脉冲模拟检测法的激光器需要发射高能量的脉冲，并通过在短间隔时间内累积大量光子能量的方式来保持接收信号较高的信噪比，该方法限制了仪器的发射频率，加快了仪器的损耗速率，制约着仪器的寿命，一般采用多个激光器件备份的方式实现长时间观测。

微脉冲光子计数激光雷达发射信号能量较低、持续时间较短(1ns)的激光脉冲(微脉冲)，并仅需记录返回的数以万计光子中的一个或几个。微脉冲光子计数方法与脉冲模拟检测方法不同之处是前者发射的脉冲能量更低，频率更高，并且记录返回信号时不进行光子能量累积、模拟信号波峰提取等过程，而是直接记录了光子坐标。光子计数能够更真实地记录地表信息，降低了脉冲模拟检测式激光雷达波形分解及离散点云记录的不确定性。

微脉冲光子计数技术采用更加灵敏的探测技术，能够做到单光子级别的探测。仪器发射脉冲的展宽小，且发射频率高，能充分利用光子信息获取更高密度、更真实的数据，并可延长激光器的寿命。光子计数激光雷达作为未来的发展趋势具有很大的研究前景和价值，但由于微脉冲光子计数方法检测的是弱信号，故相比脉冲模拟检测式激光雷达，其受噪声的影响更大。仪器在探测有效信息时也记录了大量的太阳背景噪声和仪器噪声等，尤其是白天观测时受太阳光干扰和大气噪声的影响很大。

目前，现有的三维机载点云滤波算法如不规则三角网滤波、坡度滤波、移动曲面滤波等均不能直接应用在星载光子计数激光雷达数据处理中。因此，如何开发出一种解决微脉冲机理造成的强烈背景噪声的快速去噪滤波方法，是目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明提供一种星载光子计数激光雷达数据快速去噪滤波方法，用以从星载光子计数激光雷达数据中快速、正确检测到有用信号，过滤太阳背景噪声和仪器噪声。

为达到上述目的，本发明提供了一种星载光子计数激光雷达数据快速去噪滤波方法，其包括以下步骤：

S1：以单位距离为分割标准，对星载光子计数激光雷达数据D在高程方向上进行分割，共分割为n个分割单元；

S2：分别统计D中最前50块分割单元中的点个数H₁～H₅₀，并计算其均值P1和标准差σ1，

S3：分别统计D中最后50块分割单元中的点个数H_n-49～H_n，并计算其均值P2和标准差σ2，

S4：分别计算D中最前和最后50块分割单元信号起始平均噪声N1和信号结束平均噪声N2：