CN110673108B - 一种基于迭代Klett的机载海洋激光雷达信号处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于迭代Klett的机载海洋激光雷达信号处理方法，利用Klett法对经过背景噪声去除和距离校正的激光雷达回波信号进行处理，通过设置不同的后向散射消光对数比k获取不同的雷达衰减系数；将采集的叶绿素剖面数据代入生物光学模型，获得海水衰减系数；对比分析同一观测点生物光学模型得到衰减系数与激光雷达反演得到的雷达衰减系数，确定海水后向散射消光对数比k，进而获得更为准确的海水衰减系数。本发明的方法能够提高激光雷达反演海水衰减系数剖面的精确度。

Description

一种基于迭代Klett的机载海洋激光雷达信号处理方法
技术领域
本发明属于激光雷达探测技术领域，尤其涉及一种基于迭代Klett的机载海洋激光雷达信号处理方法。
背景技术
海洋光学参数的探测对海洋水文勘探、水下通信、海洋环境监测及海洋激光遥感等研究领域有非常重要的意义。常见的探测手段有：现场原位测量、声呐、被动遥感和主动遥感。现场原位测量准确性较高，但是耗时耗钱耗力；声呐在水下具有很好的传输性能，但因为水汽界面的高反射率，不能放置在船上或飞机等其他平台；被动遥感可以实现全球大范围实时观测，但只能获取海表信息，无法获得海洋剖面信息；主动遥感，如激光雷达，具有很高的分辨率，且能够获取海洋剖面信息，近年来广泛用于海洋研究。
利用激光雷达回波信号并根据激光雷达方程可以反演海水的衰减系数，获取海水颗粒物的垂直分布情况。但是该结果通常是在假设后向散射消光对数比k为常数的基础上得到的，一般设k等于1。当k取不同值时，结果会发生很大差异，由此说明k是激光雷达回波信号反演的关键因素，亦是Klett法求解激光雷达方程的主要误差来源。
后向散射消光对数比k与激光波长和海水的光学特性有关，目前对海水的各种特性了解还不够深入，因此通过该途径来确定k值的可行性较低。
发明内容
本发明的目的在于获取海水后向散射消光对数比k，进而得到更为准确的海水衰减系数剖面结构，本发明提供一种基于迭代Klett的机载海洋激光雷达处理方法，该方法通过对比分析同一观测点生物光学模型得到衰减系数与激光雷达反演得到的雷达衰减系数，确定海水后向散射消光对数比k。
本发明的目的通过如下技术方案来实现：
一种基于迭代Klett的机载海洋激光雷达信号处理方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1：分别计算激光雷达衰减系数α(z)和模型衰减系数αmodel；
所述的激光雷达衰减系数α(z)的具体计算步骤如下：
(1)对所述的机载海洋激光雷达的原始数据进行预处理，包括背景噪声去除和距离校正；
(2)确定参考边界，并利用斜率法确定边界点的激光雷达衰减系数；
(3)设置迭代次数n的初始值为0，海水后向散射消光对数比k的初始值为0.6，k＝0.6+0.01n，k∈[0.6，1.3]，n∈[0，70]；
(4)将n的值、k的值代入下式，得到激光雷达衰减系数α(z)
Figure GDA0003004050160000021
其中，S(z)是雷达距离校正信号，Sm＝S(zm)，zm是边界值，αm是边界点的激光雷达衰减系数；
(5)令n＝n+1,返回步骤(4)运行，直到k＝1.3时结束，输出激光雷达衰减系数α(z)；
所述的模型衰减系数αmodel的计算步骤具体如下：
选取与激光雷达数据经纬度匹配一致的叶绿素剖面数据,将所述的叶绿素剖面数据代入下式，得到模型衰减系数αmodel；
αmodel＝Kd+(c-Kd)exp(-0.85cD) (2)
Kd＝0.0452+0.0494chl0.67 (3)
c＝a+b (4)
a＝1.055(0.0488+0.028chl0.65) (5)
b＝1.7×10-3+0.416chl0.766 (6)
其中，Kd是漫衰减系数，c是光束衰减系数，a为吸收系数，b为散射系数，D为激光投影到海面的光斑直径，chl为实测叶绿素浓度。
S2：对比雷达衰减系数α(z)与模型衰减系数αmodel，找出与αmodel最接近的雷达衰减系数，其对应的k值为该水体的最佳k。
进一步地，所述的S1中的背景噪声为超出激光雷达探测范围的信号，具体为每个脉冲信号最后一百个采样点的平均值。
进一步地，所述的距离校正具体为：将各深度上的回波信号乘上该深度值的平方，所述的深度值包括飞机的高度值和海水的深度。
进一步地，所述的S1中的参考边界为激光雷达可探测到的最大深度值。
本发明的有益效果是：
本发明基于迭代Klett的反演算法，考虑了不同水体具有的不同的后向散射消光对数比k，从而使得反演得到的雷达衰减系数准确性更高，误差更小。
附图说明
图1是基于迭代Klett的机载海洋激光雷达信号处理方法原理图；
图2是不同k值反演的结果与实测值对比图；
图3是迭代Klett算法反演结果与实测值比值的误差分析图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
对比常规的海水光学参数探测手段，从激光雷达回波信号中提取水体的衰减系数和后向散射系数，寻找一种快捷又准确的反演方法是海洋探测激光雷达研究的一个重要目标。目前，利用激光雷达回波信号反演海洋衰减系数的常用算法是Coliis法。Coliis法简单方便，但仅适用于均匀水体，而实际情况中水体多为非均匀水体，这就限制了Coliis法的应用。Klett在Collis算法的基础上提出了具有广泛适用性的Klett反演算法。通常Klett法为了便于计算设定k值等于1，本发明通过迭代对比分析同一观测点生物光学模型得到衰减系数与激光雷达反演得到的雷达衰减系数，确定海水后向散射消光对数比k，从而提高海水衰减系数反演精度。
如图1所示，本发明的基于迭代Klett的机载海洋激光雷达信号处理方法，具体实现步骤为：
S1：分别计算激光雷达衰减系数α(z)和模型衰减系数αmodel；
所述的激光雷达衰减系数α(z)的具体计算步骤如下：
(1)对所述的机载海洋激光雷达的原始数据进行预处理，包括背景噪声去除和距离校正；
(2)确定参考边界，并利用斜率法确定边界点的激光雷达衰减系数；
(3)设置迭代次数n的初始值为0，海水后向散射消光对数比k的初始值为0.6，k＝0.6+0.01n，k∈[0.6，1.3]，n∈[0，70]；
(4)将n的值、k的值代入下式，得到激光雷达衰减系数α(z)
Figure GDA0003004050160000041
其中，S(z)是雷达距离校正信号，Sm＝S(zm)，zm是边界值，αm是边界点的激光雷达衰减系数；
(5)令n＝n+1,返回步骤(4)运行，直到k＝1.3时结束，输出激光雷达衰减系数α(z)；
所述的模型衰减系数αmodel的计算步骤具体如下：
选取与激光雷达数据经纬度匹配一致的叶绿素剖面数据,将所述的叶绿素剖面数据代入下式，得到模型衰减系数αmodel；
αmodel＝Kd+(c-Kd)exp(-0.85cD) (2)
Kd＝0.0452+0.0494chl0.67 (3)
c＝a+b (4)
a＝1.055(0.0488+0.028chl0.65) (5)
b＝1.7×10-3+0.416chl0.766 (6)
其中，Kd是漫衰减系数，c是光束衰减系数，a为吸收系数，b为散射系数，D为激光投影到海面的光斑直径，chl为实测叶绿素浓度。
S2：对比雷达衰减系数α(z)与模型衰减系数αmodel，找出与αmodel最接近的雷达衰减系数，其对应的k值为该水体的最佳k。
优选地，所述的S1中的背景噪声为超出激光雷达探测范围的信号，具体为每个脉冲信号最后一百个采样点的平均值。
优选地，所述的距离校正具体为：将各深度上的回波信号乘上该深度值的平方，所述的深度值包括飞机的高度值和海水的深度。
优选地，所述的S2中的参考边界为激光雷达可探测到的最大深度值。
图2展示了设置不同k值得到的雷达衰减系数与实测水体衰减系数的对比结果，不同符号表示激光雷达反演的衰减系数，实线是原位测量结果。从图上可以看出激光雷达反演的衰减系数随k值的不同而显著变化，随k值的增大而增大。当k值较小时，结果存在低估的现象，但总体趋势不变；当k值较大时，结果存在高估的现象，且随着深度的增加雷达衰减系数不断减小。结果表明，k是激光雷达信号反演的关键因素，也是klett反演激光雷达方程的重要误差源。因此，准确地确定k值是非常重要的。本发明提出的基于迭代Klett的机载海洋激光雷达信号处理方法，能够较准确地确定研究区域的k值。
为了验证激光雷达反演的衰减系数与现场测量之间的关系的准确性，进行了误差分析。图3给出了激光雷达衰减系数与现场测量值比值的误差曲线图。从图中可以看出，除无效深度外，随着深度的增加，该比值接近1，且相对误差均在12％以内，其中80％误差小于5％。只有6％误差大于10％，受低信噪比的影响，主要集中在17～18m深处。由于本发明的方法涉及反向积分，因为误差的累积，深度在3m到5m误差也略大。结果证明，本发明的基于迭代Klett的机载海洋激光雷达信号处理方法是一种有效可行的反演激光雷达衰减系数的方法，准确性更高，误差更小。

Claims (4)

1.一种基于迭代Klett的机载海洋激光雷达信号处理方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1：分别计算激光雷达衰减系数α(z)和模型衰减系数αmodel；
所述的激光雷达衰减系数α(z)的具体计算步骤如下：
(1)对所述的机载海洋激光雷达的原始数据进行预处理，包括背景噪声去除和距离校正；
(2)确定参考边界，并利用斜率法确定边界点的激光雷达衰减系数；
(3)设置迭代次数n的初始值为0，海水后向散射消光对数比k的初始值为0.6，k＝0.6+0.01n，k∈[0.6，1.3]，n∈[0，70]；
(4)将n的值、k的值代入下式，得到激光雷达衰减系数α(z)
Figure FDA0003004050150000011
其中，S(z)是雷达距离校正信号，Sm＝S(zm)，zm是边界值，αm是边界点的激光雷达衰减系数；
(5)令n＝n+1,返回步骤(4)运行，直到k＝1.3时结束，输出激光雷达衰减系数α(z)；
所述的模型衰减系数αmodel的计算步骤具体如下：
选取与激光雷达数据经纬度匹配一致的叶绿素剖面数据,将所述叶绿素剖面数据代入下式，得到模型衰减系数αmodel；
αmodel＝Kd+(c-Kd)exp(-0.85cD) (2)
Kd＝0.0452+0.0494chl0.67 (3)
c＝a+b (4)
a＝1.055(0.0488+0.028chl0.65) (5)
b＝1.7×10-3+0.416chl0.766 (6)
其中，Kd是漫衰减系数，c是光束衰减系数，a为吸收系数，b为散射系数，D为激光投影到海面的光斑直径，chl为实测叶绿素浓度；
S2：对比雷达衰减系数α(z)与模型衰减系数αmodel，找出与αmodel最接近的雷达衰减系数，其对应的k值为该海水的最佳k。
2.根据权利要求1所述的基于迭代Klett的机载海洋激光雷达信号处理方法，其特征在于，所述的S1中的背景噪声为超出激光雷达探测范围的信号，具体为每个脉冲信号最后一百个采样点的平均值。
3.根据权利要求1所述的基于迭代Klett的机载海洋激光雷达信号处理方法，其特征在于，所述的距离校正具体为：将各深度上的回波信号乘上对应深度值的平方，所述的深度值包括飞机的高度值和海水的深度。
4.根据权利要求1所述的基于迭代Klett的机载海洋激光雷达信号处理方法，其特征在于，所述的S1中的参考边界为激光雷达可探测到的最大深度值。
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