用于高光谱激光雷达的测距分辨率显著增强方法及系统

1.一种用于高光谱激光雷达的测距分辨率显著增强方法，其特征在于，所述方法包括：步骤S1、对高光谱激光雷达的多个通道的原始回波波形进行预处理，所述预处理包括有效信息提取、时间同步校正和降噪滤波处理；步骤S2、基于单个偏正态分布模型，通过参数初始估计和参数最终优化对经预处理的回波波形进行拟合；步骤S3、统计拟合结果中的中心位置参数，根据所述中心位置参数确定所述经预处理的回波波形为伪单脉冲；步骤S4、获取由两个目标回波构成的伪单脉冲，利用所述单个偏正态分布模型对其进行参数预估计，包括第一波形分量和第二波形分量的中心位置；步骤S5、基于预估计的参数对所述第一波形分量和所述第二波形分量进行波形分解，并根据波形分解结果进行分解精度评估，从而增强所述高光谱激光雷达的测距分辨率；其中，在所述步骤S1中，所述预处理中的有效信息提取为：从所述原始回波波形中剔除能量低于阈值的无效信息通道，保留能量不低于所述阈值的含有有效信息的光谱通道；具体包括：对于所述原始回波波形，剔除最大强度值低于4mV的通道，所述阈值为4mV；利用高斯正态分布函数对所有通道的发射波形进行拟合，拟合公式为：其中， 表示第j个通道下发射脉冲的波形数据作为时间t的函数， 和 分别表示第j个通道下所述发射脉冲的强度、中心时间和脉宽，n表示通道总数量；分别计算不同通道下所述发射脉冲的中心时间的均值 脉宽的均值 脉宽的标准差 并计算拟合结果与实验数据之前的评价数据，包括RMSE、rRMSE、R2；其中：其中，y j 表示第j个通道下发射脉冲波形原始数据， 表示发射脉冲波形原始数据的平均值， 是第j个通道下所述发射脉冲的波形拟合精度评价数据；统计rRMSE和R2的均值rRMSE mean 、R 2 mean ，以及标准差rRMSE std 和R 2 std ，取 为第一阈值，rRMSE mean +rRMSE std 为第二阈值thr rRMSE ，R 2 mean -R 2 std 为第三阈值 剔除不在第一阈值范围内的通道的回波波形数据，舍弃 大于第二阈值thr rRMSE 且 小于第三阈值 的通道的回波波形数据；其中，在所述步骤S1中，所述预处理中的时间同步校正具体包括：以所有通道发射脉冲中心时间的均值 作为发射脉冲时间的起点，计算各个通道发射脉冲的中心时间 与 的差值，将整个通道的距离按照所述差值平移到相应的位置，其中：其中，Δt j 表示第j个通道的波形数据需要整体平移的时间，Δt j ＜0表示发射脉冲中心时间在起点的左边，需要向右平移，Δt j ＞0则反之需要向左平移；其中，在所述步骤S1中，所述预处理中的降噪滤波处理具体包括：基于SG滤波器，利用线性最小二乘法，通过多项式与相邻点的卷积来实现平滑，从而对所述原始回波波形进行降噪，所述SG滤波器的窗口大小为发射波形半峰全宽，多项式次数设置为2；其中，在所述步骤S2中：利用所述单个偏正态分布模型表征多通道回波波形，所述单个偏正态分布模型表征为：其中，λ j 表示第j个通道对应的激光波长， 表示测量信号的实际值， 表示拟合的估计值， 表示波形分量的峰值强度， 和 表示相应的半峰全宽和峰值位置， 表示模型偏正态系数，erf表示误差函数；在所述参数初始估计中，取波形数据中的最大值及其位置作为初始强度和中心位置参数，通过计算峰值位置左右两侧的半峰值点距离作为回波波形半峰全宽的距离；其中：其中， 表示第j个通道中原始回波波形数据中的最大值， 表示最大值对应的时间， 和 分别代表左右的半峰值位置，偏振态系数 初始设置为1；在所述参数最终优化中，将发射脉冲脉宽设置为回波波形脉宽参数的最小值，偏振态系数优化范围设置在[0,2]之间，通过进行TR优化，获取最终相应的波形分量参数；其中，在所述步骤S3中，统计所述拟合结果中的中心位置参数具体包括：对所有通道的回波波形进行拟合后，选取所有通道拟合结果中的中心位置参数s j ，分别计算其平均值 与标准差 并设置判断阈值thr upper 和thr lower ，其中：其中，n channels 表示拟合通道数，s i 表示第i个拟合通道的中心位置参数；其中，在所述步骤S3中，确定所述经预处理的回波波形的类型具体包括，统计所有中心位置超过阈值thr upper 和thr lower 的通道波长，对于由两个目标回波叠加形成的伪单脉冲，其中心位置分布规律呈现聚集性或非对称性；其中：通道波长对应的中心位置均超过阈值thr upper 或thr lower ，且中心位置分布呈现出聚集性，则该回波波形为伪单脉冲；超过阈值一侧的中心位置数量多于另一侧达1.5倍以上，且中心位置分布呈现非对称性，则该回波波形为伪单脉冲；否则，则该回波波形为单目标回波波形；其中，在所述步骤S4中，利用所述单个偏正态分布模型对所述伪单脉冲进行参数预估计，具体包括：当脉冲展宽量与偏正态系数的变化量之间的比值 超过判别值时，第j个通道的所述第一波形分量的中心位置位于拟合的伪单脉冲的波形左起始点 与峰值位置 之间的中点，第j个通道的所述第二波形分量的中心位置 位于所述原始回波波形的峰值位置t origin_data_peak ；当所述脉冲展宽量与所述偏正态系数的变化量之间的比值 不超过所述判别值时，所述第一波形分量和所述第二波形分量的中心位置 和 分别位于所述原始回波波形的峰值位置t origin_data_peak 和所述拟合的伪单脉冲的峰值位置处 所述第一波形分量和所述第二波形分量的脉宽初始参数值 和 为所述拟合的伪单脉冲的发射脉冲的脉宽F emission ，强度 和 为所述拟合的伪单脉冲的峰值的一半，偏正态系数α 1 和α 2 均为1；其中： 超过所述判别值时： 不超过所述判别值时：其中，在所述步骤S5中，对所述第一波形分量和所述第二波形分量进行波形分解，具体包括： 超过所述判别值时，将所述第一波形分量的中心位置参数优化上限 设置为所述单个偏正态分布模型的左半峰值点 与所述拟合的伪单脉冲的峰值位置 之间的中点，参数优化下限 设置为所述原始回波波形的上升沿起始点 将所述第二波形分量的中心位置参数优化下限 设置为所述拟合的伪单脉冲的峰值位置 与所述原始回波波形的峰值位置t origin_data_peak 的中点，参数优化上限 设置为所述原始回波波形的下降沿结束点 其中： 不超过所述判别值时，所述第一波形分量和所述第二波形分量的下限 设置为其各自的位置参数 与三倍标准差3σ SND 之间的差值，上限 设置为其各自的位置参数 与三倍标准差3σ SND 之间的和；所述第一波形分量和所述第二波形分量的强度下限 和 均设置为0，脉宽下限 设置为发射脉冲波形的脉宽的0.7倍；具体公式为： 超过所述判别值时： 不超过所述判别值时：其中，在所述步骤S5中，根据所述波形分解结果进行所述分解精度评估，具体包括：对于同一波形分量，在多通道中经过所述波形分解后，分别统计中心位置和脉宽参数的极大值和极小值，计算中心位置极大值与极小值之间的差值ΔS max-min ，以及脉宽参数极大值与极小值之间的差值ΔFWHM max-min ；若ΔS max-min 小于两个目标之间的间隔距离，或者ΔFWHM max-min 小于所述发射脉冲波形的脉宽参数极大值与极小值之间的差值的0.8倍，则重新执行所述参数预估计；否则，波形分解结果正确，根据所述波形分解结果进行所述分解精度评估；具体包括：其中， 和 分别代表第j个通道中第i个原始回波波形的实际测量值和估计值， 表示第j个通道的原始回波波形的平均值， 表示在所有通道测量两个目标之间的距离的平均值，s real 表示两个目标之间的距离的实际值。 2.一种用于高光谱激光雷达的测距分辨率显著增强系统，其特征在于，所述系统包括：第一处理单元，被配置为：对高光谱激光雷达的多个通道的原始回波波形进行预处理，所述预处理包括有效信息提取、时间同步校正和降噪滤波处理；其中，所述预处理中的有效信息提取为：从所述原始回波波形中剔除能量低于阈值的无效信息通道，保留能量不低于所述阈值的含有有效信息的光谱通道；具体包括：对于所述原始回波波形，剔除最大强度值低于4mV的通道，所述阈值为4mV；利用高斯正态分布函数对所有通道的发射波形进行拟合，拟合公式为：其中， 表示第j个通道下发射脉冲的波形数据作为时间t的函数， 和 分别表示第j个通道下所述发射脉冲的强度、中心时间和脉宽，n表示通道总数量；分别计算不同通道下所述发射脉冲的中心时间的均值 脉宽的均值 脉宽的标准差 并计算拟合结果与实验数据之前的评价数据，包括RMSE、rRMSE、R2；其中：其中，y j 表示第j个通道下发射脉冲波形原始数据， 表示发射脉冲波形原始数据的平均值， 是第j个通道下所述发射脉冲的波形拟合精度评价数据；统计rRMSE和R2的均值rRMSE mean 、R 2 mean ，以及标准差rRMSE std 和R 2 std ，取 为第一阈值，rRMSE mean +rRMSE std 为第二阈值thr rRMSE ，R 2 mean -R 2 std 为第三阈值 剔除不在第一阈值范围内的通道的回波波形数据，舍弃 大于第二阈值thr rRMSE 且 小于第三阈值 的通道的回波波形数据；其中，所述预处理中的时间同步校正具体包括：以所有通道发射脉冲中心时间的均值 作为发射脉冲时间的起点，计算各个通道发射脉冲的中心时间 与 的差值，将整个通道的距离按照所述差值平移到相应的位置，其中：其中，Δt j 表示第j个通道的波形数据需要整体平移的时间，Δt j ＜0表示发射脉冲中心时间在起点的左边，需要向右平移，Δt j ＞0则反之需要向左平移；其中，所述预处理中的降噪滤波处理具体包括：基于SG滤波器，利用线性最小二乘法，通过多项式与相邻点的卷积来实现平滑，从而对所述原始回波波形进行降噪，所述SG滤波器的窗口大小为发射波形半峰全宽，多项式次数设置为2；第二处理单元，被配置为：基于单个偏正态分布模型，通过参数初始估计和参数最终优化对经预处理的回波波形进行拟合；其中，利用所述单个偏正态分布模型表征多通道回波波形，所述单个偏正态分布模型表征为：其中，λ j 表示第j个通道对应的激光波长， 表示测量信号的实际值， 表示拟合的估计值， 表示波形分量的峰值强度， 和 表示相应的半峰全宽和峰值位置， 表示模型偏正态系数，erf表示误差函数；在所述参数初始估计中，取波形数据中的最大值及其位置作为初始强度和中心位置参数，通过计算峰值位置左右两侧的半峰值点距离作为回波波形半峰全宽的距离；其中：其中， 表示第j个通道中原始回波波形数据中的最大值， 表示最大值对应的时间， 和 分别代表左右的半峰值位置，偏振态系数 初始设置为1；在所述参数最终优化中，将发射脉冲脉宽设置为回波波形脉宽参数的最小值，偏振态系数优化范围设置在[0,2]之间，通过进行TR优化，获取最终相应的波形分量参数；第三处理单元，被配置为：统计拟合结果中的中心位置参数，根据所述中心位置参数确定所述经预处理的回波波形为伪单脉冲；其中，统计所述拟合结果中的中心位置参数具体包括：对所有通道的回波波形进行拟合后，选取所有通道拟合结果中的中心位置参数s j ，分别计算其平均值 与标准差 并设置判断阈值thr upper 和thr lower ，其中：其中，n channels 表示拟合通道数，s i 表示第i个拟合通道的中心位置参数；其中，确定所述经预处理的回波波形的类型具体包括，统计所有中心位置超过阈值thr upper 和thr lower 的通道波长，对于由两个目标回波叠加形成的伪单脉冲，其中心位置分布规律呈现聚集性或非对称性；其中：通道波长对应的中心位置均超过阈值thr upper 或thr lower ，且中心位置分布呈现出聚集性，则该回波波形为伪单脉冲；超过阈值一侧的中心位置数量多于另一侧达1.5倍以上，且中心位置分布呈现非对称性，则该回波波形为伪单脉冲；否则，则该回波波形为单目标回波波形；第四处理单元，被配置为：获取由两个目标回波构成的伪单脉冲，利用所述单个偏正态分布模型对其进行参数预估计，包括第一波形分量和第二波形分量的中心位置；其中，利用所述单个偏正态分布模型对所述伪单脉冲进行参数预估计，具体包括：当脉冲展宽量与偏正态系数的变化量之间的比值 超过判别值时，第j个通道的所述第一波形分量的中心位置位于拟合的伪单脉冲的波形左起始点 与峰值位置 之间的中点，第j个通道的所述第二波形分量的中心位置 位于所述原始回波波形的峰值位置t origin_data_peak ；当所述脉冲展宽量与所述偏正态系数的变化量之间的比值 不超过所述判别值时，所述第一波形分量和所述第二波形分量的中心位置 和 分别位于所述原始回波波形的峰值位置t origin_data_peak 和所述拟合的伪单脉冲的峰值位置处 所述第一波形分量和所述第二波形分量的脉宽初始参数值 和 为所述拟合的伪单脉冲的发射脉冲的脉宽F emission ，强度 和 为所述拟合的伪单脉冲的峰值的一半，偏正态系数α 1 和α 2 均为1；其中： 超过所述判别值时： 不超过所述判别值时：第五处理单元，被配置为：基于预估计的参数对所述第一波形分量和所述第二波形分量进行波形分解，并根据波形分解结果进行分解精度评估，从而增强所述高光谱激光雷达的测距分辨率；其中，对所述第一波形分量和所述第二波形分量进行波形分解，具体包括： 超过所述判别值时，将所述第一波形分量的中心位置参数优化上限 设置为所述单个偏正态分布模型的左半峰值点 与所述拟合的伪单脉冲的峰值位置 之间的中点，参数优化下限 设置为所述原始回波波形的上升沿起始点 将所述第二波形分量的中心位置参数优化下限 设置为所述拟合的伪单脉冲的峰值位置 与所述原始回波波形的峰值位置t origin_data_peak 的中点，参数优化上限 设置为所述原始回波波形的下降沿结束点 其中： 不超过所述判别值时，所述第一波形分量和所述第二波形分量的下限 设置为其各自的位置参数 与三倍标准差3σ SND 之间的差值，上限 设置为其各自的位置参数 与三倍标准差3σ SND 之间的和；所述第一波形分量和所述第二波形分量的强度下限 和 均设置为0，脉宽下限 设置为发射脉冲波形的脉宽的0.7倍；具体公式为： 超过所述判别值时： 不超过所述判别值时：其中，根据所述波形分解结果进行所述分解精度评估，具体包括：对于同一波形分量，在多通道中经过所述波形分解后，分别统计中心位置和脉宽参数的极大值和极小值，计算中心位置极大值与极小值之间的差值ΔS max-min ，以及脉宽参数极大值与极小值之间的差值ΔFWHM max-min ；若ΔS max-min 小于两个目标之间的间隔距离，或者ΔFWHM max-min 小于所述发射脉冲波形的脉宽参数极大值与极小值之间的差值的0.8倍，则重新执行所述参数预估计；否则，波形分解结果正确，根据所述波形分解结果进行所述分解精度评估；具体包括：其中， 和 分别代表第j个通道中第i个原始回波波形的实际测量值和估计值， 表示第j个通道的原始回波波形的平均值， 表示在所有通道测量两个目标之间的距离的平均值，s real 表示两个目标之间的距离的实际值。 3.一种电子设备，其特征在于，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，实现权利要求1所述的一种用于高光谱激光雷达的测距分辨率显著增强方法中的步骤。 4.一种计算机可读存储介质，其特征在于，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，实现权利要求1所述的一种用于高光谱激光雷达的测距分辨率显著增强方法中的步骤。