全波形激光雷達(dá)波形數(shù)據(jù)無(wú)損壓縮方法研究

陳瑞強(qiáng)

摘 要：全波形激光雷達(dá)對(duì)目標(biāo)回波信號(hào)進(jìn)行完整記錄和分析，具有測(cè)距精度高和目標(biāo)特征提取豐富的優(yōu)點(diǎn)。全波形激光雷達(dá)記錄的回波波形數(shù)據(jù)量通常較大，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸捄痛鎯?chǔ)器的容量提出了更高要求?；夭úㄐ螖?shù)據(jù)有損壓縮方法可有效降低數(shù)據(jù)量，但同時(shí)會(huì)丟目標(biāo)完整波形，不利于后期數(shù)據(jù)處理。本文提出了一種利用閾值法的全波形激光雷達(dá)波形無(wú)損壓縮方法，實(shí)現(xiàn)了回波波形的無(wú)損壓縮與解壓縮編碼。

關(guān)鍵詞：全波形激光雷達(dá);無(wú)損壓縮;壓縮編碼;解壓縮編碼

一、緒論

全波形激光雷達(dá)（Waveform-Digitizing LiDAR）將發(fā)射脈沖信號(hào)和回波脈沖信號(hào)均以很小的采樣間隔進(jìn)行采樣并記錄，用戶根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，對(duì)記錄的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，相比傳統(tǒng)激光雷達(dá)，可以得到更豐富的激光回波次數(shù)和目標(biāo)特征信息[1-3]?；夭ㄐ盘?hào)中目標(biāo)有用信號(hào)的比例較小，例如發(fā)射脈沖脈寬為10ns，模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣率為1GSa/秒，最大探測(cè)距離取200米，每次回波需要采集約1300個(gè)點(diǎn)，如果回波中僅包含一個(gè)目標(biāo)，有用信號(hào)的比例僅為10/1300=0.77%。因此設(shè)定閾值，僅輸出和保存高于閾值的數(shù)據(jù)點(diǎn)，將有效降低波形數(shù)據(jù)量，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮的目的。但這種壓縮方式屬于有損壓縮，丟失了大量微弱信號(hào)數(shù)據(jù)，沒(méi)有很好發(fā)揮全波形激光雷達(dá)數(shù)據(jù)后處理優(yōu)勢(shì)[4]。本文使用閾值分類方法，實(shí)現(xiàn)了全波形激光波形數(shù)據(jù)的無(wú)損壓縮。該方法不需要生成字典，僅需要根據(jù)閾值截取適當(dāng)位長(zhǎng)的原始數(shù)據(jù)，計(jì)算量較少，可以取得較高的數(shù)據(jù)壓縮比。

二、原理

壓縮過(guò)程：根據(jù)分類閾值，對(duì)原始波形數(shù)據(jù)的采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，獲得閾值類型和壓縮數(shù)值組成的采樣點(diǎn)壓縮數(shù)據(jù)。采樣點(diǎn)壓縮數(shù)據(jù)采用首尾相連的方式組成數(shù)據(jù)區(qū)。模數(shù)轉(zhuǎn)換器分辨率、采樣點(diǎn)總個(gè)數(shù)和分類閾值組成數(shù)據(jù)頭。數(shù)據(jù)頭和數(shù)據(jù)區(qū)組成最終的壓縮數(shù)據(jù)。解壓縮過(guò)程：提取壓縮數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)頭，獲取模數(shù)轉(zhuǎn)換器分辨率、采樣點(diǎn)總個(gè)數(shù)和分類閾值。提取壓縮數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)區(qū)，根據(jù)閾值類型提取合適長(zhǎng)度的采樣點(diǎn)壓縮數(shù)據(jù)，并結(jié)合模數(shù)轉(zhuǎn)換器分辨率和分辨率閾值，依次恢復(fù)得到解壓縮數(shù)值。解壓縮數(shù)值依次相連組成原始波形數(shù)據(jù)。

三、算法

原始回波波形數(shù)據(jù)的格式如圖1所示數(shù)據(jù)排列方式為大端模式：地址由小向大增加，而數(shù)據(jù)從高位往低位放。原始波形數(shù)據(jù)為長(zhǎng)度N*M的一維數(shù)組。其中，N表示模數(shù)轉(zhuǎn)換器分辨率，M表示回波中包含的采樣點(diǎn)總個(gè)數(shù)。

（一）壓縮編碼

壓縮編碼的流程如圖2所示。

1.確定分類閾值

根據(jù)回波的噪聲大小，確定分類閾值。分類閾值一般選取為2倍的背景噪聲均方根值。分類閾值占N個(gè)bit，其二進(jìn)制的最高位位數(shù)為l。例如，模數(shù)轉(zhuǎn)換器分辨率為8位，分類閾值的二進(jìn)制值為00000101，則l=3。

2.數(shù)據(jù)壓縮

根據(jù)分類閾值，對(duì)原始回波波形的每個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行壓縮，參考圖3，采樣點(diǎn)壓縮數(shù)據(jù)由閾值類型和壓縮數(shù)值兩部分組成。其中，閾值類型占據(jù)1bit，其值為0或1。當(dāng)采樣點(diǎn)數(shù)值>分類閾值時(shí)，閾值類型為1，否則為0。其中，壓縮數(shù)值占據(jù)l個(gè)bit或N個(gè)bit。當(dāng)閾值類型為1時(shí)，壓縮數(shù)值占據(jù)N個(gè)bit。當(dāng)閾值類型為0時(shí)，壓縮數(shù)值選取采樣點(diǎn)低l位的數(shù)據(jù)，占l個(gè)bit。

3.數(shù)據(jù)輸出

如圖3所示，輸出的壓縮數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)頭和數(shù)據(jù)區(qū)構(gòu)成。其中數(shù)據(jù)頭包含模數(shù)轉(zhuǎn)換器分辨率（占γ個(gè)bit）、采樣點(diǎn)總個(gè)數(shù)（占η個(gè)bit）和分類閾值（占N個(gè)bit）;數(shù)據(jù)區(qū)包含M個(gè)首尾相連的采樣點(diǎn)壓縮數(shù)據(jù)。

（二）解壓縮編碼

解壓縮編碼的流程如圖4所示。

1.數(shù)據(jù)頭提取

提取波形壓縮數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)頭，得到模數(shù)轉(zhuǎn)換器分辨率N、原始波形采樣點(diǎn)總個(gè)數(shù)M和分類閾值（其二進(jìn)制值的最高位位數(shù)為l）。

2.數(shù)據(jù)解壓縮

根據(jù)采樣點(diǎn)壓縮數(shù)據(jù)的構(gòu)成方式，依次提取1bit的閾值類型和N或l個(gè)bit的壓縮數(shù)值：當(dāng)閾值類型為1時(shí)，取N個(gè)bit的壓縮數(shù)值;當(dāng)閾值類型為0時(shí)，取l個(gè)bit的壓縮數(shù)值。

初始化一個(gè)初始值全部為0的解壓縮數(shù)組，該數(shù)組可以存放M個(gè)解壓縮數(shù)值。當(dāng)閾值類型為1時(shí)，將N個(gè)bit的壓縮數(shù)值直接賦給解壓縮數(shù)值;當(dāng)閾值類型為0時(shí)，將l個(gè)bit的壓縮數(shù)值賦給解壓縮數(shù)值的低l位。

四、結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種全波形激光雷達(dá)波形數(shù)據(jù)無(wú)損壓縮方法，在保證回波波形不失真的條件下，可有效壓縮數(shù)據(jù)傳輸量，降低了對(duì)系統(tǒng)帶寬和存儲(chǔ)器存儲(chǔ)空間的要求。

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