基于独立元分析的水下激光雷达后向散射噪声去除方法

齐若伊; 李坤; 杨苏辉; 高彦泽; 王欣; 李卓

doi:doi:10.3788/AOS202141.0401004

光学学报, 2021, 41 (4): 0401004, 网络出版: 2021-02-25

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Elimination of Backscatter Noise of Underwater LiDAR Using Independent Component Analysis Algorithm

齐若伊 ^1,2李坤 ^1,2杨苏辉 ^1,2,*高彦泽 ^1,2王欣 ^1,2李卓 ^1,2

作者单位

¹ 北京理工大学光电学院, 北京 100081

² 精密光电测试仪器及技术北京市重点实验室, 北京 100081

图 & 表

图 1. ICA算法一般步骤

Fig. 1. General steps of ICA

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图 2. 探测器接收信号

Fig. 2. Received signal

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图 3. 调制频率为225 MHz与675 MHz的激光雷达回波信号

Fig. 3. Received signals at modulation frequency of 225 MHz and 675 MHz

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图 4. 经ICA分离。(a)目标回波信号;(b)后向散射噪声

Fig. 4. Signal separated by ICA. (a) Target echo signal; (b) backscattering noise

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图 5. ICA迭代分离结果

Fig. 5. Results by ICA

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图 6. 不同发射脉冲中心下,目标深度为1~100 ns的计算结果与理论值比较。(a) 10 ns; (b) 20 ns; (c) 30 ns; (d) 40 ns; (e) 50 ns; (f) 60 ns

Fig. 6. Comparison of calculated results with theoretical values, target depth from 1 ns to 100 ns, detector pulse center from 10 ns to 60 ns. (a) 10 ns; (b) 20 ns; (c) 30 ns; (d) 40 ns; (e) 50 ns; (f) 60 ns

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图 7. 固定脉冲中心时不同目标深度下的计算结果与理论值比较

Fig. 7. Comparison of calculation results with theoretical values under different target depths in condition of fixed detector pulse center

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图 8. 不同目标深度情况下的计算结果。 (a) <30 ns; (b) >60 ns

Fig. 8. Comparison of calculation results under different target depths. (a) <30 ns; (b)>60 ns

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表 1仿真参数

Table1. Simulation parameters

Parameter	Value
Seawater attenuation coefficient	α=0.2 m^-1
Speed of light in sea water	v=2.25×10⁸ cm·s^-1
Backscatter times	N=10⁴
Backscatter rate in sea water	ρ_b=0.06
Underwater target reflectivity	ρ_t=0.2
Transmit pulse center delay	t₀=50 ns
Seawater depth (corresponding time)	t_d=150 ns
Modulation frequency	f_m=225 MHz
Modulation depth	m=1
Sampling interval	t_s=0.25 ns

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齐若伊, 李坤, 杨苏辉, 高彦泽, 王欣, 李卓. 基于独立元分析的水下激光雷达后向散射噪声去除方法[J]. 光学学报, 2021, 41(4): 0401004. Ruoyi Qi, Kun Li, Suhui Yang, Yanze Gao, Xin Wang, Zhuo Li. Elimination of Backscatter Noise of Underwater LiDAR Using Independent Component Analysis Algorithm[J]. Acta Optica Sinica, 2021, 41(4): 0401004.

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图 2. 探测器接收信号

Fig. 2. Received signal

图 3. 调制频率为225 MHz与675 MHz的激光雷达回波信号

Fig. 3. Received signals at modulation frequency of 225 MHz and 675 MHz

图 4. 经ICA分离。(a)目标回波信号;(b)后向散射噪声

Fig. 4. Signal separated by ICA. (a) Target echo signal; (b) backscattering noise

图 5. ICA迭代分离结果

Fig. 5. Results by ICA

图 6. 不同发射脉冲中心下,目标深度为1~100 ns的计算结果与理论值比较。(a) 10 ns; (b) 20 ns; (c) 30 ns; (d) 40 ns; (e) 50 ns; (f) 60 ns

Fig. 6. Comparison of calculated results with theoretical values, target depth from 1 ns to 100 ns, detector pulse center from 10 ns to 60 ns. (a) 10 ns; (b) 20 ns; (c) 30 ns; (d) 40 ns; (e) 50 ns; (f) 60 ns

图 7. 固定脉冲中心时不同目标深度下的计算结果与理论值比较

Fig. 7. Comparison of calculation results with theoretical values under different target depths in condition of fixed detector pulse center

图 8. 不同目标深度情况下的计算结果。 (a) <30 ns; (b) >60 ns

Fig. 8. Comparison of calculation results under different target depths. (a) <30 ns; (b)>60 ns

表 1仿真参数

Table1. Simulation parameters

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Fig. 3. Received signals at modulation frequency of 225 MHz and 675 MHz

图 4. 经ICA分离。(a)目标回波信号;(b)后向散射噪声

Fig. 4. Signal separated by ICA. (a) Target echo signal; (b) backscattering noise

图 5. ICA迭代分离结果

Fig. 5. Results by ICA

图 6. 不同发射脉冲中心下,目标深度为1~100 ns的计算结果与理论值比较。(a) 10 ns; (b) 20 ns; (c) 30 ns; (d) 40 ns; (e) 50 ns; (f) 60 ns

Fig. 6. Comparison of calculated results with theoretical values, target depth from 1 ns to 100 ns, detector pulse center from 10 ns to 60 ns. (a) 10 ns; (b) 20 ns; (c) 30 ns; (d) 40 ns; (e) 50 ns; (f) 60 ns

图 7. 固定脉冲中心时不同目标深度下的计算结果与理论值比较

Fig. 7. Comparison of calculation results with theoretical values under different target depths in condition of fixed detector pulse center

图 8. 不同目标深度情况下的计算结果。 (a) <30 ns; (b) >60 ns

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