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申请/专利权人：太原理工大学

摘要：本发明公开了一种多尺度物理仿真的沙尘天气激光雷达点云数据增强方法。首先，在晴朗天气下采集激光雷达点云数据。其次，使用蒙特卡罗算法在三维采样空间内将离散尺度的沙尘颗粒建模为互不相交的不透明球体，生成不同粒径下的沙尘颗粒的三维分布模型。然后使用激光雷达模型，对原始点云的每一个点都生成一束仿真激光，根据物理仿真模型计算此激光束内连续尺度与离散尺度的沙尘颗粒对回波的影响。最后，通过对激光雷达回波峰值的分析，对原始点云数据进行修正。本发明能够在晴天点云数据基础上快速生成大量仿真沙尘环境下的点云数据，为沙尘天气下训练鲁棒的三维目标检测模型提供丰富的数据资源。此方法有助于评估激光雷达在沙尘天气下的性能，并为无人驾驶、机器人和环境监测等领域的相关应用提供可靠的数据基础。

主权项：1.一种多尺度物理仿真的沙尘天气激光雷达点云数据增强方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：在晴朗天气下，采集不同场景的脉冲激光雷达点云真实数据，包括三维坐标、回波强度；步骤2：按照粒径，将沙尘颗粒划分为连续尺度的粒径小于0.05mm的散射介质与粒径大于0.05mm的离散尺度的散射介质；对离散尺度介质在三维空间进行蒙特卡洛采样，依据一定概率分布将沙尘颗粒显式建模为互不相交的不透明球体；连续尺度粒径小于0.05mm的介质不建立显式几何模型，而采用消光系数与反射系数表征其单位体积下的宏观光学特性；所述步骤2中，对沙尘颗粒进行3D空间采样的具体步骤包括：步骤2.1：参数初始化；包括采样空间体积V3D、沙尘颗粒最终占据体积Vdust、当前采样迭代步下的沙尘颗粒总体积Vocc以及包含3D沙尘信息的集合D；步骤2.2：采样沙尘颗粒的球心坐标位置；在一个以0,0,0为中心、半径为R激光雷达有效扫描距离的三维空间内均匀随机采样沙尘颗粒中心的坐标x,y,z；步骤2.3：采样沙尘颗粒的半径；按“对数-正态”分布prD采样沙尘颗粒的半径rD,其中μm为沙尘颗粒的半径均值，σg为标准差； 步骤2.4：根据上一步获得的沙尘颗粒半径rD计算颗粒体积；步骤2.5：检查当前沙尘颗粒是否超出采样空间以及是否与当前沙尘集合中的任何沙尘颗粒相交；若没有，则将当前沙尘颗粒添加到集合D，并更新Vocc；否则，丢弃当前采样沙尘颗粒；步骤2.6：不断重复步骤2.2-步骤2.5，直到Vocc≥Vdust，返回包含沙尘颗粒信息的集合D步骤3：对原始点云数据进行逐点分析；根据脉冲激光雷达模型，对原始点云中的每一个点产生一束仿真激光，计算此激光束内连续尺度介质对光束的消光效应与离散尺度介质对光束的遮挡效应；所述步骤3中计算离散颗粒对激光光束遮挡效应的具体步骤如下：步骤3.1：初始化参数；包括获取步骤2.6中的沙尘颗粒3D采样集合D，以及激光雷达光束的发散角Θ；步骤3.2：遍历沙尘集合D中的每一个沙尘颗粒，若沙尘颗粒位于光束内部，计算沙尘颗粒到雷达传感器的距离Rd、当前颗粒球心所在的光束截面面积A、颗粒的横截面积Ad；计算该沙尘颗粒对雷达光束的遮挡系数AdA；步骤3.3：在任意距离R处，定义雷达光束在被离散颗粒遮挡后的通过系数； 其中d是离散颗粒的序号，nd是离散颗粒的数量，H是Heaviside函数；步骤4：对激光雷达与目标物体之间的距离，按照一定间隔布置一系列采样点，计算不同距离处的连续介质回波强度与离散介质回波强度，两者相加即为该距离点处的沙尘回波强度；计算目标物体受散射介质干扰后的回波强度；步骤5：根据步骤4的计算结果，对晴朗天气下采集的原始点云数据进行修正，主要包括点的删除、移动以及回波强度大小的调整，最终输出原始场景在沙尘环境下的仿真激光雷达点云数据并进行可视化。

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