CN106125088B - 基于激光雷达测深系统确定海水深度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光雷达测深系统确定海水深度的方法，利用激光雷达测深系统进行激光发射和回波探测，然后对回波数据进行分析处理。由于系统噪声、背景噪声及数字化处理带来的误差等非理想因素会对算法处理带来很大影响，造成深度计算结果出现很大偏差，因此在进行波形识别之前，应首先对波形数据进行预处理，即进行滤波处理，然后基于高斯函数拟合海面和海底回波、四角函数拟合水体后向散射的方式对波形数据进行拟合处理，同时对拟合结果进行检验，将满足检验要求的拟合参数用于水深计算，从而实现测深目的，同时满足系统高精度测量的标准。

Description

基于激光雷达测深系统确定海水深度的方法

技术领域

本发明涉及激光雷达探测领域，具体涉及一种可应用于激光雷达测深系统数据处理的方法，可有效提高测深系统的系统精度。

背景技术

激光雷达是利用激光束来探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统，在基础测绘、城市三维建模、林业开发以及海洋探测等领域有着广泛的应用^[1]，具有分辨率高、低空探测性好、抗干扰能力强等特点。其中测深系统工作原理是：向待测区域发射激光,然后将接收到的从水面反射回来的信号与水底反射信号在时间上进行比较,通过计算两者之间的时间差就可以算得水深。

虽然激光雷达探测技术已有了一定的发展，但是激光雷达数据的处理系统^[2]现今还是相对不成熟的，而且目前应用的处理回波信号的方法大多比较简单，主要有：峰值检测法、固定阈值检测法、恒比定时法以及拟合算法。峰值检测法、固定阈值检测法、恒比定时法等方法对信号的信噪比、稳定性都要求很高，而当测量环境变动较大时，信号幅值出现较大差异，同时考虑到采样率及波形展宽等因素对回波的影响，以及进行海洋探测时海底回波信号较微弱且容易受水体后向散射等情况，测量结果将出现较大偏差，严重影响测深系统的精度，所以对激光雷达回波信号进行数据处理时，采取一套较为完善的数据处理方法，是激光雷达测深系统实现高精度测量的关键所在。

激光回波由探测器接收，此时由于环境背景噪声、系统噪声、后向散射等非理想因素导致回波信号难以精确判别，因此在进行回波时刻判别时需首先进行滤波预处理，达到降噪的目的，提高原始信号的质量，从而使得利用拟合算法^[3]估算判别回波时刻的精确程度得到重大的改进，最后设定相关阈值对拟合效果进行检验，当满足一定检验条件时，即可将拟合参数用于水深计算。

[参考文献]

[1]翟国君，吴太旗，欧阳永忠等；机载激光测深技术研究进展[J]，海洋测绘，2012，32(2):67-71。

[2]叶修松；机载激光水深探测技术基础及数据处理方法研究[D]，郑州：信息工程大学，2010。

[3]程华；激光雷达回波信号处理技术研究[J]，2015。

发明内容

本发明为了提高激光雷达测深系统精确度，提供了一种可精确确定水深的方法。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种基于激光雷达测深系统确定海水深度的方法，包括以下步骤：

步骤一、利用探测器接收激光回波信号，可获得信息：回波幅值w_i(i＝0,1,2,LN)，对应采样时刻t_i(i＝0,1,2,L N)，其中N为样点数，采用维纳滤波处理方法对原始波形数据进行滤波处理，得到滤波后幅值数据y_i(i＝0,1,2,L N)；

步骤二、对步骤一中滤波后所得数据y_i(i＝0,1,2,L N)进行拟合处理：

利用公式(1)中的高斯函数拟合海面回波：

公式(1)中，H₁为海面回波幅值，u₁为海面回波时刻位置，δ₁为海面回波标准差；

利用公式(2)中的四角函数拟合后向散射：

公式(2)中，a表示四角函数的起始时刻，b表示四角函数的第1个顶点对应的时刻，c表示四角函数的第2个顶点对应的时刻，d表示四角函数的结束时刻，e、g分别表示对应第1个顶点和第2顶点对应的幅值；

利用公式(3)中的高斯函数拟合海底回波：

公式(3)中，H₃为海底回波幅值，u₃为海底时刻位置，δ₃为海底回波标准差；

将上述公式(1)、公式(2)和公式(3)中三种函数混合叠加得：

f(t)＝f₁(t)+f₂(t)+f₃(t) (4)

根据步骤一得到的滤波后的数据及上述拟合函数进行拟合处理，过程如下：

2-1)、设定上述各参数的初始值θ，包括：海面回波幅值H₁₀、海面回波时刻位置u₁₀、海面回波标准差δ₁₀、海底回波幅值H₃₀、海底时刻位置u₃₀、海底回波标准差δ₃₀、四角函数起始时刻a_o、四角函数第1个顶点对应时刻b₀、四角函数第2个顶点对应时刻c₀、四角函数结束时刻d₀、四角函数第1个顶点对应幅值e₀、四角函数第2个顶点对应幅值g₀；

2-2)、根据设定的各参数的初始值和公式(4)利用最小二乘法为来更新迭代参数，即根据公式(5)计算得出拟合最好的参数组合θ^*，包括：海面回波幅值H₁ ^*、海面回波时刻位置u₁ ^*、海面回波标准差δ₁ ^*、海底回波幅值H₃ ^*、海底时刻位置u₃ ^*、海底回波标准差δ₃ ^*、四角函数起始时刻a^*、四角函数第1个顶点对应时刻b^*、四角函数第2个顶点对应时刻c^*、四角函数结束时刻d^*、四角函数第1个顶点对应幅值e^*、四角函数第2个顶点对应幅值g^*；

步骤三、对步骤二中的拟合函数进行拟合效果检验，设定相关系数ε，计算公式为：

设定阈值ε₀∈(0,1)，当ε(θ^*)小于阈值ε₀，则返回步骤2-1)中修改参数初始设定，重新进行拟合；当ε(θ^*)大于阈值ε₀时，执行步骤四；

步骤四，利用步骤三得出的拟合参数中的u₁ ^*和u₃ ^*两个参数值，分别作为海面回波时刻和海底回波时刻，作差可得到时刻间隔，再与光速度相乘就可以得到海水深度，即根据公式(7)计算得到激光雷达探测点的海水深度D：

式(7)中，c为光速，n为折射率。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

回波时刻精确判别是保证测深精度的关键，是激光雷达测深系统的重要指标。本专利提出的激光雷达测深系统数据处理的方法可以精确拟合海面回波、海底回波，将经过检验的拟合参数用于水深估算，从而保证水深测量的准确度，继而有效提高激光雷达测深系统的精度。

附图说明

图1是本发明拟合效果图；

图2是本发明中数据处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

本发明提出的一种基于激光雷达测深系统确定海水深度的方法，其设计思路是：利用激光雷达测深系统进行激光发射和回波探测，然后对回波数据进行分析处理。由于系统噪声、背景噪声及数字化处理带来的误差等非理想因素会对算法处理带来很大影响，造成深度计算结果出现很大偏差，因此在进行波形识别之前，应首先对波形数据进行预处理，即进行滤波处理，然后基于高斯函数拟合海面和海底回波、四角函数拟合水体后向散射的方式对波形数据进行拟合处理，同时对拟合结果进行检验，将满足检验要求的拟合参数用于水深计算，从而实现测深目的，同时满足系统高精度测量的标准。本发明中数据拟合效果如图1所示，根据拟合结果中海面回波和海底回波的时刻位置，就可以实现测深目的。其实现的过程如图2所示，具体步骤如下：

步骤一、利用探测器接收激光回波信号，可获得信息：回波幅值w_i(i＝0,1,2,LN)，对应采样时刻t_i(i＝0,1,2,L N)，其中N为样点数，采用维纳滤波处理方法对原始波形数据进行滤波处理，得到滤波后幅值数据y_i(i＝0,1,2,L N)；

步骤二、对步骤一中滤波后所得数据y_i(i＝0,1,2,L N)进行拟合处理。采用两个高斯函数作为海面回波和海底回波的拟合函数，四角函数作为后向散射函数。即利用公式1中函数形式来拟合海面回波：

公式(1)中，H₁为海面回波幅值，u₁为海面回波时刻位置，δ₁为海面回波标准差。

利用公式2中函数形式来拟合后向散射：

公式(2)中，a表示四角函数的起始时刻，b表示四角函数的第1个顶点对应的时刻，c表示四角函数的第2个顶点对应的时刻，d表示四角函数的结束时刻，e、g分别表示对应第1个顶点和第2顶点对应的幅值；

利用公式3中函数形式来拟合海底回波：

公式(3)中，H₃为海底回波幅值，u₃为海底时刻位置，δ₃为海底回波标准差；将三种函数混合叠加得：

f(t)＝f₁(t)+f₂(t)+f₃(t) (4)

即可基于全波形来分析拟合激光雷达测深系统的测试数据，从而达到测深目的。

根据激光雷达步骤一所得滤波后数据以及上述拟合函数进行拟合处理，过程如下：

步骤二一、设定参数初始值θ:海面回波幅值H₁₀、海面回波时刻位置u₁₀、海面回波标准差δ₁₀、海底回波幅值H₃₀、海底时刻位置u₃₀、海底回波标准差δ₃₀、四角函数起始时刻a_o、四角函数第1个顶点对应时刻b₀、四角函数第2个顶点对应时刻c₀、四角函数结束时刻d₀、四角函数第1个顶点对应幅值e₀、四角函数第2个顶点对应幅值g₀；步骤二二、根据步骤二一中参数初始值和公式4利用最小二乘法为来更新迭代参数，即根据公式5：

计算得出拟合最好的参数组合θ^*：海面回波幅值H₁ ^*、海面回波时刻位置u₁ ^*、海面回波标准差δ₁ ^*、海底回波幅值H₃ ^*、海底时刻位置u₃ ^*、海底回波标准差δ₃ ^*、四角函数起始时刻a^*、四角函数第1个顶点对应时刻b^*、四角函数第2个顶点对应时刻c^*、四角函数结束时刻d^*、四角函数第1个顶点对应幅值e^*、四角函数第2个顶点对应幅值g^*；

步骤三、对步骤二中的拟合函数进行拟合效果检验，设定相关系数ε，计算公式为：

设定阈值ε₀∈(0,1)，当ε(θ^*)小于阈值ε₀，则返回步骤二一中修改参数初始设定，重新进行拟合；当ε(θ^*)大于阈值ε₀时，检验成功。

步骤四，利用步骤三确定得出的拟合参数中的u₁ ^*和u₃ ^*两个参数值，分别作为海面回波时刻和海底回波时刻，作差可得到时刻间隔，再与光速度相乘就可以得到海水深度，即可根据公式7计算得到激光雷达探测点的海水深度D：

式中，c为光速，n为折射率。通过计算D实现测深估算，从而达到高精度测量的标准。

尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (1)

1.一种基于激光雷达测深系统确定海水深度的方法，包括以下步骤：

步骤一、利用探测器接收激光回波信号，获得回波幅值w_i，i＝0,1,2,…N，该回波幅值对应的采样时刻为t_i，i＝0,1,2,…N，其中N为样点数，采用维纳滤波处理方法对原始波形数据进行滤波处理，得到滤波后幅值数据y_i，i＝0,1,2,…N；

步骤二、对步骤一中滤波后所得数据y_i，i＝0,1,2,…N，进行拟合处理：

利用公式(1)中的高斯函数拟合海面回波：

公式(1)中，H₁为海面回波幅值，u₁为海面回波时刻位置，δ₁为海面回波标准差；

利用公式(2)中的四角函数拟合后向散射：

公式(2)中，a表示四角函数的起始时刻，b表示四角函数的第1个顶点对应的时刻，c表示四角函数的第2个顶点对应的时刻，d表示四角函数的结束时刻，e、g分别表示对应第1个顶点和第2顶点对应的幅值；

利用公式(3)中的高斯函数拟合海底回波：

公式(3)中，H₃为海底回波幅值，u₃为海底时刻位置，δ₃为海底回波标准差；将上述公式(1)、公式(2)和公式(3)中三种函数混合叠加得到完整拟合函数，如公式(4)所示：

f(t)＝f₁(t)+f₂(t)+f₃(t) (4)

根据步骤一得到的滤波后的数据及上述拟合函数进行拟合处理，过程如下：

2-1)、设定上述各参数的初始值θ，包括：海面回波幅值H₁₀、海面回波时刻位置u₁₀、海面回波标准差δ₁₀、海底回波幅值H₃₀、海底时刻位置u₃₀、海底回波标准差δ₃₀、四角函数起始时刻a_o、四角函数第1个顶点对应时刻b₀、四角函数第2个顶点对应时刻c₀、四角函数结束时刻d₀、四角函数第1个顶点对应幅值e₀、四角函数第2个顶点对应幅值g₀；

2-2)、根据设定的各参数的初始值和公式(4)利用最小二乘法为来更新迭代参数，即根据公式(5)计算得出拟合最好的参数组合θ^*，包括：海面回波幅值H₁ ^*、海面回波时刻位置u₁ ^*、海面回波标准差δ₁ ^*、海底回波幅值H₃ ^*、海底时刻位置u₃ ^*、海底回波标准差δ₃ ^*、四角函数起始时刻a^*、四角函数第1个顶点对应时刻b^*、四角函数第2个顶点对应时刻c^*、四角函数结束时刻d^*、四角函数第1个顶点对应幅值e^*、四角函数第2个顶点对应幅值g^*；

步骤三、对步骤二中的拟合函数进行拟合效果检验，设定相关系数ε，计算公式为：

设定阈值ε₀∈(0,1)，当ε(θ^*)小于阈值ε₀，则返回步骤2-1)中修改参数初始设定，重新进行拟合；当ε(θ^*)大于阈值ε₀时，执行步骤四；

步骤四，利用步骤三得出的拟合参数中的u₁ ^*和u₃ ^*两个参数值，分别作为海面回波时刻和海底回波时刻，所述海面回波时刻和海底回波时刻作差得到时刻间隔，再与光速度相乘得到激光雷达探测点的海水深度D，即：

式(7)中，c为光速，n为折射率。