点云数据异常补偿方法优化

针对以上不同的异常情况，我们需要发展与之对应的补偿方法，包括利用算法的软件数据补偿方法和利用硬件的补偿矫正方法(黎明焱，2016)。以下分别描述：

1. 规则性异常数据补偿方法

对于规则性异常数据的补偿方法，我们在实验室针对不同测距范围进行多次测量，且对每一路APD 分别进行测量，并在“面阵激光雷达数据处理软件包”中对每一路APD 进行相对应的时滞校正。

2. 不规则性异常数据补偿方法

这一类异常数据的出现毫无规律，在排除硬件故障外，主要是与外界环境干扰和整体系统电气性能稳定性有关。对于不规则性异常数据，我们采用加权平均的方法对最邻近数据进行均值处理。在本书描述的面阵激光雷达仪GLiDAR-II 采集的20 组数据中，“面阵激光雷达数据处理软件包”首先对20 次测距数据做预处理，然后将每一个通道20 次测距数值进行统计，记录测距值大小及对应次数(按照测距值出现频率的高低进行排序)，最后将这些数值按照出现次数从多到少的顺序与加权平均的计算结果进行对比，取最接近加权平均的数值作为当前通道的测距数据。其数学模型可以描述为：假设我们将所有出现的测距值分别记为x1，x2，…，xn，其对应出现的次数记为m1，m2，…，mn次，其中n ≤20，m1+ m2+…+ mn= 20，则加权平均计算为：

假设测距值出现次数从大到小依次为m1，m2，…，mn，我们依次将对应的x1，x2，…，xn与X 进行比较，取与加权平均最接近的测距值作为该通道测距的最后值。若存在两个测距值xi，xj与X 之间差值完全一样，即

则以出现频率较高的xi作为当前通道测距数据的最后值。(www.xing528.com)

3. 无回收数据补偿方法

在排除APD 硬件损坏，导致不能正常工作的情况下，无回收数据主要是由于APD 阵列单元没有收到激光回波信号导致的。这种情况主要分为以下两种情况：第一，有效测程范围内无目标面发生发射信号；第二，激光束正好打到墙面拐角光滑处，反射光没有进入APD 接收范围。我们规定：在无回收数据时，统一将测距值填充为0。由于面阵激光雷达成像系统采用匀速水平推帚式成像，所以第一种情况将可能出现接收不到回波信号，也就是说，如果激光发射频率设置为20Hz 时，至少出现20 次没有收到激光回波信号；第二种情况，当面阵激光雷达仪在移动时会接收到激光发射的回波信号，因此对于无回收数据的处理方式依然采用不规则性加权均值的方式进行处理。其方法见上文的描述，这里不再详细介绍。在“面阵激光雷达数据处理软件包”里，我们规定：若某APD 像元测距值经过数据预处理以后是0，则表示有效测程内目标面对应的位置无反射或者回波信号太弱，三维可视化绘图时按无穷远处理。

4. 电路异常补偿方法

激光雷达系统经常存在通道延时不一致、APD 偏置电路未做温度补偿等问题。针对这种类型的异常情况，在经过大量的实验之后，我们对面阵激光雷达仪GLiDAR-II 的每一个APD 像元按通道号、测距范围分段建立补偿系数，包含时滞补偿系数(纯时滞修正只做调试时使用，最终会写入计时电路中)和比例补偿系数(Zhou et al.，2015)。时滞补偿系数主要是用于对规则性异常进行补偿，比例补偿系数则用于补偿APD 因温度变化而产生的增益变化补偿，这些参数是在一定温度条件下测试获得的(环境温度：26℃)。如图9-4所示，当上位机三维绘图程序通过TDC-GPX(高精度计时芯片)读取25 通道测距数据时，它同时读取数据补偿参数文件Rectification.xls。这种补偿方法是采用该文件中的修正参数表来对数据进行补偿矫正。另外，现场操作员还可以通过对原始测试数据进行比对、校正计算修正参数并适时调整Rectification.xls 文件。在修正系数Rectification.xls 文件中，数据格式为25 行15 列，每一行对应一个APD 像元，而从第1 列到第15 列分别表示1 ～15m每一米测距范围对应的修正系数，同时所有系数初始值为1，默认不做任何修正。

如图9-4 所示，当对测距数据进行修正时，所有测距数据都会经过修正系数处理，再进行绘图和后台历史数据的备份(修正数据=测距数据×修正系数)。

5. 多次回波信号异常

由于只需要获取目标面表面三维模型，因此只需要读取各APD 通道在有效测程范围内的最小测距值。

图9-4　异常数据修正方法(Zhou et al.，2015)