Real time denoising method for spaceborne photon counting laser ranging radar

Fig. 4. β distribution curve：（a） the probability density function curve of β distribution；（b） the cumulative distribution function curve of β distribution

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Fig. 5. Process flow diagram of Monte Carlo Simulation

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Fig. 6. Land simulation results：（a） distribution map of the original signal and noise photon event time data；（b） distribution curve of the photon event time data after denoising，the diagram is illustrated in the box，the horizontal line represents the mean of the photon event time data after denoising，the green circle represents the signal，and the red circle represents the noise

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Fig. 7. Ocean simulation results：（a） distribution map of the original signal and noise photon event time data；（b） distribution curve of the photon event time data after denoising，the diagram is illustrated in the box，the horizontal line represents the mean of the photon event time data after denoising，the green circle represents the signal，and the red circle represents the noise

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Fig. 8. Land ice simulation results：（a） distribution map of the original signal and noise photon event time data；（b） distribution curve of the photon event time data after denoising，the diagram is illustrated in the box，the horizontal line represents the mean of the photon event time data after denoising，the green circle represents the signal，and the red circle represents the noise

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Fig. 9. Ocean ice simulation results：（a） distribution map of the original signal and noise photon event time data；（b） distribution curve of the photon event time data after denoising，the diagram is illustrated in the box，the horizontal line represents the mean of the photon event time data after denoising，the green circle represents the signal，and the red circle represents the noise

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Fig. 10. ICESat-2 data denoising results，（a），（b），（c） and （d） are strong beam data；（e），（f），（g） and （h） are weak beam data；（a），（b），（e） and （f） are sea ice data；（c），（d），（g） and （h） are ocean data； the noise rate of （a），（c），（e） and （g） is 1 MHz； the noise rate of （b），（d），（f） and （h） is 5 MHz，blue represents noise photons，green represents signal photons，and red represents denoised signal photons

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Fig. 11. The denoising results of ICESat-2 data grid method，（a），（b），（c） and （d） are strong beam data；（e），（f），（g） and （h） are weak beam data；（a），（b），（e） and （f） are sea ice data；（c），（d），（g） and （h） are ocean data； the noise rate of （a），（c），（e） and （g） is 1 MHz； the noise rate of （b），（d），（f） and （h） is 5 MHz，blue represents noise photons，green represents signal photons，and red represents denoised signal photons

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Table 1. Coarse and fine denoising algorithm

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Table 1. Coarse and fine denoising algorithm

粗精去噪算法

输入：采样到的待去噪的光子事件时间数据的集合 $\{t^{i}\}$

输出：去噪后的光子事件时间数据集合 $\{t_{s f}\}$ 和探测目标的距离值 $Z$

粗去噪

1：确定单次去噪对应的发射脉冲数量 $N$ 和 $N$ 发脉冲接收到的光子事件数量 $N_{c}$

2： $\{t^{(i)}\} = S o r t (t^{i}), i = \{1,2, \dots, N_{c}\}$ ， $\{t^{(i)}\}$ 为 $\{t^{i}\}$ 排序后的数据

3：在 $\{t^{(i)}\}$ 中每次连续选取 $n$ 个数据 $\{t_{n}^{(i)}\}$ 进行计算

$t_{m a x} = m a x \{t_{n}^{(i)}\}$

$t_{m i n} = m i n \{t_{n}^{(i)}\}$

$t_{∆} = t_{m a x} - t_{m i n}$

$\{t_{s c}\}$ =｛ $t_{n}^{(i)} |d^{i} = \frac{t_{∆}}{n - 1} < T_{p}, T_{p} = 6 σ_{s}|$ ， $\{t_{s c}\}$ 为可能的信号光子事件时间数据集合， $d^{i}$ 为光子事件时间数据密度， $T_{p}$ 为发射激光脉冲脉宽

4：采用重叠选取的方式选择下一次的n个数据，直至遍历完 $\{t^{(i)}\}$ 中的所有数据，连续两次选取数据重叠数量为n-1。为保证查全率，判定为噪声光子事件的数据可在其他样本中改判为信号光子事件，反之，判定为信号光子事件的数据不可改判为噪声光子事件。

精去噪

5： $t_{m a x}^{'} = h i s t o g r a m \{t_{s c}\}$ ， $t_{m a x}^{'}$ 为直方图统计峰值对应的时间值

6： $\{t_{s f}\} = \{t_{s c} | (t_{m a x}^{'} - T_{p}) \leq t_{s c} \leq (t_{m a x}^{'} + T_{p})\}$ ， $\{t_{s f}\}$ 为最终去噪后保留下来的信号光子事件时间数据

7： $t_{m e a n} = m e a n \{t_{s f}\}$ ， $t_{m e a n}$ 为筛选出的信号光子时间数据的平均值。

目标	噪声率（MHz）	平均信号光子数（个）	本文算法计算时间（s）	栅格法计算时间（s）
海洋	5	1.24	0.642 2	0.716 0
海洋	5	8.81	0.754 1	0.871 8
海洋	1	1.24	0.320 0	0.346 7
海洋	1	8.81	0.438 3	0.473 3
海冰	1	1.1	0.325 8	0.354 7
海冰	1	4.42	0.342 0	0.378 0
海冰	5	1.1	0.634 1	0.738 6
海冰	5	4.42	0.643 2	0.798 9

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Chong-Tao TAN, Wen-Bo YU, Yu-Yan XIANG, Shao-Hui LI, Jing YU, Qian-Ying WANG, Song LI. Real time denoising method for spaceborne photon counting laser ranging radar[J]. Journal of Infrared and Millimeter Waves, 2024, 43(2): 242

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Paper Information

Category: Research Articles

Received: Jun. 28, 2023

Accepted: --

Published Online: Apr. 29, 2024

The Author Email: Song LI (ls@whu.edu.cn)

DOI:10.11972/j.issn.1001-9014.2024.02.014

Topics

laser devices and laser physics

Lasers and Laser Optics

Laser physics

laser manufacturing

Instrumentation, Measurement and Metrology