全波形激光雷达波形数据压缩和解压方法与流程

本发明涉及一种全波形激光雷达波形数据压缩和解压方法。

背景技术：

全波形激光雷达(waveform-digitizinglidar)将发射脉冲信号和回波脉冲信号均以很小的采样间隔进行采样并记录，用户根据实际应用需求，对记录的波形数据进行处理和分析，相比传统激光雷达，可以得到更丰富的激光回波次数和目标特征信息。

假设全波形激光雷达仅记录目标回波波形，则每秒钟需要记录的数据量d为：

d＝2rmaxssmpnbitfemt/c(1)

其中，rmax为最大探测距离，单位为米；c为光速c＝30000000米/秒；ssmp为模数转换器采样速度，单位为sa/秒；nbit为模数转换器的分辨率；femt为脉冲激光器发射频率，单位为hz。

目前全波形激光雷达的发射频率一般为百khz，这里取500khz；一般发射脉冲的脉宽为ns级，模数转换器采样速度需要达到gsa/秒，这里取1gsa/秒(相邻两个数据采样点的间隔为1ns)；模数转换器的分辨率取8-bit；最大探测距离取200米。将这些设定的参数代入公式(1)中，每秒钟会产出500mbit的回波波形数据量。

如此巨量的波形数据量，对数据传输的带宽和存储器的容量提出了更高要求。例如需要采用pci或pcie数据接口，配备tbits级别的ssd固态硬盘等，这会增加整个系统的复杂度，并提高成本。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的是提供一种全波形激光雷达波形数据压缩和解压方法，通过累加计数取得较高的数据压缩比；同时使用分层处理策略和长度编码方法，实现了波形数据的无损压缩。

技术方案：本发明所述的全波形激光雷达波形数据压缩和解压方法，包括以下步骤：

步骤1，原始波形数据通过压缩形成波形压缩数据的过程为原始波形数据根据模数转换器分辨率拆分形成原始数据层；原始数据层通过长度编码方法获得数据压缩层；将数据压缩层采用首尾相连的方式构成波形压缩数据；

步骤2，波形压缩数据通过解压形成原始波形数据的过程为波形压缩数据通过长度编码方法以恢复得到压缩数据层；压缩数据层根据模数转换器分辨率得到原始波形数据。

通过采用上述技术方案，压缩过程：根据模数转换器分辨率将原始波形数据拆分为原始数据层，原始数据层采用长度编码方法获得数据压缩层，数据压缩层采用首尾相连的方式构成波形压缩数据。解压缩过程：使用长度解码方法从波形压缩数据中恢复得到压缩数据层，根据模数转换器分辨率将压缩数据层组合为原始波形数据。压缩通过累加计数即可完成，并且减少了压缩过程中的计算量，以取得较高的数据压缩比。通过降低压缩量以压缩数据传输量，并且对压缩数据进行反向解压，恢复数据的原始状态。

有益效果：在保证回波波形不失真的条件下，可有效压缩数据传输量，降低了对系统带宽和存储器存储空间的要求。

附图说明

图1是原始回波波形数据的结构；

图2是回波波形压缩数据的结构；

图3是回波波形压缩过程流程图；

图4是回波波形图；

图5是压缩输出的数据；

图6是回波波形解压过程流程图；

图7是解压后的波形图。

具体实施方式

一种全波形激光雷达波形数据压缩和解压方法，首先先对原始波形数据进行排列，参考图1，原始波形数据排列方式为大端模式：地址由小向大增加，而数据从高位往低位放，原始波形数据为长度n*m的一维数组。其中,n表示模数转换器分辨率，m表示回波中包含的采样点总个数。

压缩过程：

(1)数据分层

然后原始波形数据根据模数转换器分辨率拆分形成原始数据层；按照模数转换器分辨率，从高到低对原始波形数据进行分层；例如模数转换器为8bit，按照从高到低将原始波形数据分成7到0共8个原始数据层。

原始数据分层层数与模数转换器分辨率一致，原始数据分层后，原始数据类型有且仅有0或1两种类型。

(2)分层压缩

原始数据层根据长度编码方法获得数据压缩层；参考图2，数据压缩层由首类型、类型反转次数和若干串长构成；首类型由当前原始数据层第一个数据的类型确定；相同类型连续出现的数据串使用长度编码以得到串长；类型反转次数记录数据串类型变化的次数，其值等于串长个数减1；

首类型表示原始数据层的第一个数据串的类型，占1bit，有1或0两种类型。

类型反转次数表示原始数据层中不同类型数据串的切换次数，占α个bit，α＝β-1。例如某一个原始数据层全0或全1数据串，数据类型反转次数为0；某一个原始数据层的数据为5个连续出现的“0”+5个连续出现的“1”+5个连续出现的“0”，则数据类型切换次数为2。

同连续出现的数据个数采用串长的方式表示。例如5个连续出现的“0”或“1”，串长表示为“5”。串长所占bit数β取值为：2^β-1≤m≤2^β。例如每次回波采样点总个数为1000个，则串长所占的bit数β＝10。

(3)顺序输出

最后数据压缩层采用首尾相连的方式构成波形压缩数据。波形压缩数据包含模数转换器分辨率和原始波形采样点总个数构成的数据头。其中数据头包含模数转换器分辨率(占γ个bit)和采样点总个数(占η个bit)；数据区包含按层数从高到低首尾相连的压缩数据层。每一层压缩数据格式为由首类型、反转次数以及串长构成。

上述原始波形数据通过压缩形成波形压缩数据的过程参考图3中的压缩流程。

例如，图4所示的回波波形构成的原始波形数据，模数转换器的分辨率量化为8bit，共采集到40个采样点。如果不采用数据压缩方法，需要输出8*40＝320bit数据。

采用本发明提出的压缩方法，串长需要占6个bit，反转次数占5个bit，则压缩输出的数据如图5所示，共有222bit，压缩比320/215＝1.44。实际应用中，每次回波波形采样点数远大于40个，将得到更高的压缩比。由此可见，本发明提出的压缩方法，有效的降低了压缩数据传输量，降低了对系统带宽和存储器存储空间的要求。

解压过程：

波形压缩数据需要再次解压变成原始波形数据才能继续使用，因此，波形压缩数据通过解压形成原始波形数据的过程为波形压缩数据通过长度编码方法以恢复得到压缩数据层；压缩数据层根据模数转换器分辨率得到原始波形数据。

(1)数据头

其中解压缩过程提取波形压缩数据的数据头，组合模数转换器分辨率和原始波形采样点总个数。

(2)分层解压缩

在解压过程中，根据数据压缩层的构成方式进行依次提取原始数据层的首类型、类型反转次数和若干串长；类型反转次加1得到串长个数，对串长使用长度解码确定数据串长度，并结合首类型可以确定每个数据串的数值，完成数据压缩层解压缩。

(3)按层组合

解压过程根据模数转换器分辨率和原始波形采样，将数据压缩层解压出的数据逐层恢复得到无损的波形数据，上述波形压缩数据通过解压形成原始波形数据的过程参考图6中的解压流程。

采用本发明提出的解压缩方法，可以无损解压缩图4中的压缩数据，解压后的波形如图7所示。