石靖鶴　曾啟蒙

摘 要：在成像激光雷達(dá)的各項(xiàng)參數(shù)值設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，并結(jié)合大氣模式模擬能夠獲取一維激光雷達(dá)信號(hào)，對(duì)高斯分布特點(diǎn)進(jìn)行分析，對(duì)基本光束寬度值進(jìn)行還原，能夠有效獲取二維光柱圖像。在此圖像中添加不同程度高斯白噪聲以及平均背景，能夠產(chǎn)生與成像激光雷達(dá)獲取信號(hào)相近的染噪圖像。在應(yīng)用二維小波變化方法的基礎(chǔ)上對(duì)染噪激光雷達(dá)光柱圖像采取去噪操作，能夠有效提升良好的去噪成效。去噪之后的回波信號(hào)與原始信號(hào)之間還有一定誤差，通過去噪的雷達(dá)信號(hào)反演出氣溶膠消光系數(shù)。通過溶膠消光系數(shù)之間的有效對(duì)比能夠獲取相應(yīng)誤差值，并對(duì)變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，能夠得出小波去噪在成像激光雷達(dá)仿真信號(hào)應(yīng)用的可行性。

關(guān)鍵詞：小波去噪；成像激光雷達(dá)；仿真信號(hào)

激光雷達(dá)自身具有一定的時(shí)空分辨率，在環(huán)境參數(shù)量探測(cè)過程中能夠得到有效應(yīng)用，從激光雷達(dá)基本方程來看，雷達(dá)系統(tǒng)實(shí)際探測(cè)距離主要是受到信噪比影響較大，信噪比隨著探測(cè)距離的的快速增加而降低。目前提高驕信噪比的有效措施就是逐步提升激光器的基本功率，但是此類方式應(yīng)甩具有局限性，僅僅適用于小幅度提升系統(tǒng)信噪比。針對(duì)激光雷達(dá)回波信號(hào)噪聲的基本特點(diǎn)，在雷達(dá)信號(hào)噪聲處理過程中通過應(yīng)用數(shù)字信號(hào)處理方法，此類方法能夠使得諸多影響要素影響程度不斷減低，對(duì)弱信號(hào)進(jìn)行提取，是提升系統(tǒng)特性較為有效的措施。

一、小波分析基本概述

小波分析能夠?qū)π盘?hào)特性進(jìn)行有效分析，能夠在圖像處理、語音信號(hào)處理、問題判斷等諸多領(lǐng)域得到有效應(yīng)用。小波分析自身當(dāng)具有較高的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)π盘?hào)基本特性進(jìn)行分析，還能掌握信號(hào)基本變化規(guī)律。目前小波分析在降低激光雷達(dá)信號(hào)噪聲中得到有效應(yīng)用。有相關(guān)研究人員通過平衡閾值技術(shù)對(duì)來降低激光雷達(dá)信號(hào)產(chǎn)生的噪聲，能夠獲取良好的去噪成效。也可以基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的小波分析算法對(duì)激光雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行分析。還可以通過小波閾值以及小波空間濾波器對(duì)激光雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行降噪。

二、二維離散小波變換去噪方法

目前二維離散小波變換主要是對(duì)圖像二維多分辨率進(jìn)行分析的方法，實(shí)際分解過程中為兩層小波圖像分解。首先通過對(duì)原始圖像進(jìn)行分解，獲取首層近似分量以及細(xì)節(jié)分量，然后再對(duì)首層近似分量分解，獲取第二層細(xì)節(jié)分量以及近似分量。兩份分解小波圖像在分解以及重構(gòu)過程中存在一定差異。比兩層較大的分解過程與下圖分解過程具有一定相似性，需要對(duì)上層近似分量進(jìn)行分解。通過分解過程中產(chǎn)生的近似分量以及細(xì)節(jié)分量，對(duì)各項(xiàng)基本參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，能夠使得重構(gòu)之后的圖像滿足小波變化的圖像去噪要求。

在仿真過程中通過有效應(yīng)用小波閾值去噪方法，此方法主要應(yīng)用重點(diǎn)在對(duì)小波基以及閾值選取過程中，選取過程中可以將實(shí)際分解層數(shù)分為3層。選取小波基時(shí)，理想化的小波基需要具備以下基本特點(diǎn)。首先需要具有正交性、衰減性、緊支性、對(duì)稱性、正則性等。當(dāng)前通過小波基對(duì)圖像進(jìn)行處理成果中，多項(xiàng)方法都具有相應(yīng)不足之處。通過選取Daubechies小波基，此類小波自身具有良好正則性，但是產(chǎn)生光滑誤差值不容易被發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致信號(hào)重構(gòu)過程中信號(hào)光滑性較強(qiáng)。如果光滑性較強(qiáng)，頻域局部變化能力也更強(qiáng)，頻帶劃分效果更好。

在正常情況下通過全局閾值法以及局部閾值法能夠?qū)υ肼曔M(jìn)行消除，全局閾值法在分析基礎(chǔ)上對(duì)各項(xiàng)細(xì)節(jié)參數(shù)進(jìn)行分析，局部閾值法是在根據(jù)不同層采取不同閾值。根據(jù)噪聲細(xì)節(jié)參數(shù)的不同，局部閾值法能夠在不同層上選取閾值。當(dāng)前降低激光雷達(dá)仿真圖像噪聲處理需要進(jìn)行分步，結(jié)合實(shí)際情況選取分解層數(shù)和小波基，通過小波變化將原始激光雷達(dá)染噪圖像進(jìn)行分解，能夠獲取小波系數(shù)。獲取每層對(duì)應(yīng)的閾值，通過應(yīng)用軟閾值方法能夠?qū)Ω黜?xiàng)系數(shù)進(jìn)行量化。通過小波逆變換能夠?qū)D像進(jìn)行有效重構(gòu)，從而獲取降噪之后的圖像。

三、仿真以及誤差分析

（一）成像激光雷達(dá)裝置

成像激光雷達(dá)之間的收發(fā)距離在480mm，基本發(fā)射裝置是YAG激光器，波長(zhǎng)在532nm，平均輸出功率值在4W，光束發(fā)散角為1.5mrad。激光器發(fā)射的激光經(jīng)過擴(kuò)束系統(tǒng)之后進(jìn)入到大氣。光學(xué)接收裝置由CCD、接收望遠(yuǎn)鏡等構(gòu)成，望遠(yuǎn)鏡可以選取投射式望遠(yuǎn)鏡，干涉濾光片中心波長(zhǎng)要在532nm，帶寬在3nm。CCD水平方向像素為1388個(gè)，垂直方向有1038個(gè)像素。

為了對(duì)方法進(jìn)行驗(yàn)證，需要對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)基本設(shè)計(jì)要求，對(duì)距離分辨率進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，暫時(shí)獲取2km以內(nèi)的數(shù)據(jù)。激光雷達(dá)在2km范圍之內(nèi)的回波光子數(shù)隨高度變化而變化。為了使得真實(shí)數(shù)據(jù)有效性全面提升，可以通過建立大氣模型對(duì)初始激光雷達(dá)回波信號(hào)進(jìn)行模擬。需要確定分子激光雷達(dá)比以及 氣溶膠的激光雷達(dá)比，然后將各項(xiàng)參數(shù)值帶去到激光雷達(dá)方程中。可以將同一維信號(hào)光束寬度以及高斯分布特點(diǎn)進(jìn)行還原，能夠獲取基本的還原圖像，然后將背景光以及方差模型帶入到高斯白噪聲中，能夠獲取基本染噪圖像。模型一、二的方差光子數(shù)分別為800和1600，從圖中基本表現(xiàn)結(jié)果可知，噪聲越大，原始圖像基本染噪效果更加突出。

（二）氣溶膠消光系數(shù)誤差

實(shí)際應(yīng)用的反演方法是散射比迭代法，此類方法通過反演能夠獲取氣溶膠消光系數(shù)，能夠與原有的氣溶膠消光系數(shù)進(jìn)行對(duì)比。通過不同噪聲模型去噪信號(hào)反演獲取的消光系屬于初始模式下的消光系數(shù)之間有相應(yīng)變動(dòng)，變動(dòng)也較為明顯[5]。如果去噪信號(hào)波動(dòng)具有一致性，說明信號(hào)欺起伏對(duì)氣溶膠消光系數(shù)起伏影響較大。在去噪之后信號(hào)反演獲取的消光系數(shù)與初始階段的誤差對(duì)比，在獲取的誤差值基礎(chǔ)上，能夠判定此類反演方法切實(shí)可行。

結(jié)語：

目前將離散小波變換在成像激光雷達(dá)模擬信號(hào)圖像去噪中進(jìn)行應(yīng)用，能夠在非線性閾值基礎(chǔ)上進(jìn)行去噪，能夠在去噪基礎(chǔ)上保留相關(guān)激光雷達(dá)信號(hào)。從實(shí)際去噪成果中可以看出，染噪激光雷達(dá)信號(hào)圖像去噪效果良好，但也存有細(xì)微的起伏性。通過去噪之后的激光雷達(dá)信號(hào)反演之后能夠獲取氣溶膠消光系數(shù)，能夠與初始的氣溶膠消光系數(shù)進(jìn)行有效對(duì)比。在對(duì)比過程中能夠?qū)ζ湔`差值進(jìn)行探析，從而有效驗(yàn)證去噪算法以及反演氣溶膠消光系數(shù)算法的可行性，對(duì)染噪信號(hào)圖像進(jìn)行處理，驗(yàn)證小波去噪在圖像處理中的可行性。