CN115615958A - 闪光成像激光雷达测量水体后向衰减系数的方法及应用 - Google Patents

闪光成像激光雷达测量水体后向衰减系数的方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于水体透过率数据识别技术领域，公开了闪光成像激光雷达测量水体后向衰减系数的方法及应用。该方法将利用相邻帧差法测得的水体中某位置的前后沿后向散射强度值，联合水体衰减系数与后向散射强度的关系模型，获得水体中某位置的水体衰减系数。本发明解决了现有技术中实时遥感测量水体的衰减系数获得的数据准确度低，误差大；对水体进行测量时，获得的测量数据速度慢，而且获得的远程测量水体衰减系数的可行性及可靠性效果差的问题。实验和理论分析充分说明了采用相邻帧差法对水体衰减系数进行实时遥感测量的可行性，具有较强的实用价值。

Description

闪光成像激光雷达测量水体后向衰减系数的方法及应用
技术领域
本发明属于水体透过率数据识别技术领域，尤其涉及闪光成像激光雷达测量水体后向衰减系数的方法及应用。
背景技术
水的透过率是评估水体环境的常用指标，量化水体透过率的一个重要参数是水体的衰减系数，同时，水体的衰减系数是激光雷达系统进行水下探测的重要参数，它表征了水体的基本性质，并决定了光场在水中传输的光谱特征。因此，水体衰减的实时测量对于未来水下工程技术的发展和基础物理实验具有重要意义。
测量水体的衰减系数的方法一般为根据Beer-Lambert Law直接测量水体的衰减系数，或者通过测量水体拉曼散射，布里渊散射，高光谱数据，计算出水体的衰减系数。虽然Beer-Lambert Law在一定范围内精度较高，但是采用该方法需要对水体取样，或者在水体中放置功率计，操作起来较为繁琐，难以实现水体衰减系数的实时远程测量。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
(1)现有技术中实时遥感测量水体的衰减系数获得的数据准确度低，误差大。
(2)现有技术中激光成像雷达设备，对水体进行测量时，获得的测量数据速度慢，而且获得的远程测量水体衰减系数的可行性及可靠性效果差。
发明内容
为克服相关技术中存在的问题，本发明公开实施例提供了闪光成像激光雷达测量水体后向衰减系数的方法及应用。
所述技术方案如下：闪光成像激光雷达测量水体后向衰减系数的方法利用相邻帧差法测得水体中某位置的前后沿后向散射强度值，联合水体衰减系数与后向散射强度的关系模型，获得水体中某位置的水体衰减系数，具体包括以下步骤：
步骤1，分析激光光斑与接收视场之间不同重叠面积的后向散射，引入重叠因子F，构建水体中总的后向散射强度公式；
步骤2，基于构建的水体中总的后向散射强度公式，对目标距离激光雷达系统的水平距离进行求解，获取微分方程；
步骤3，利用获得的微分方程建立水体衰减系数与后向散射强度的关系模型。
在步骤1中，水体中总的后向散射强度公式为：
Figure BDA0003873063530000021
其中，AR为有效接收面积，P0为出射激光功率，θ为发射中心轴与接收中心轴之间夹角的一半值，r为目标距离激光雷达系统的距离，Cr为在r处的水体总衰减系数，U为后向散射系数，F为重叠因子，e≈2.7182。
在步骤2中，对目标距离激光雷达系统的水平距离进行求解，获取微分方程为：
Figure BDA0003873063530000031
其中，dPb为后向散射强度值，AR为有效接收面积，P0为出射激光功率，θ为发射中心轴与接收中心轴之间夹角的一半值，r为目标距离激光雷达系统的距离，Cr为在r处的水体总衰减系数，U为后向散射系数，F为重叠因子
在步骤3中，水体衰减系数与后向散射强度的关系模型为：
Figure BDA0003873063530000032
其中，C为水体衰减系数，r为目标距离激光雷达系统的水平距离，θ为发射中心轴与接收中心轴之间夹角的一半值，dPb为后向散射强度值，dr为在r处的发射与接收中心距离，AR为有效接收面积，P0为出射激光功率，U为后向散射系数，F为重叠因子。
在一个实施例中，利用相邻帧差法测得水体中某位置的前后沿后向散射强度值包括：
当Δτgata为闪光成像雷达的选通门宽，Δτstep为闪光成像雷达的延时步长；目标距离激光雷达系统的水平距离r大于R1则重叠因子F为1，增强电荷耦合器件接收到的强度图像为全部激光束在水体中的后向散射强度图像；
激光雷达系统接收到的相邻两帧后向散射强度图像为第k帧和第k+1帧，对于这两帧强度图像的差值图像ΔIk，差值图像中前沿部分的像素强度值为水体中r2处的后向散射强度，记作
Figure BDA0003873063530000041
差值图像中后沿部分的像素强度值为水体中r1处的后向散射强度，记作
Figure BDA0003873063530000042
其中，前后沿后向散射强度值分别为dPr2和dPr1，具体公式分别为：
Figure BDA0003873063530000043
Figure BDA0003873063530000044
在一个实施例中，获得水体中某位置的水体衰减系数包括：
将公式
Figure BDA0003873063530000045
分别代入公式
Figure BDA0003873063530000048
Figure BDA0003873063530000046
得到：
Figure BDA0003873063530000047
其中，r1＝v(Δτ+kΔτstep)，r2＝v[Δτ+(k+1)Δτstep]，v为水中光速，Δτ为系统设定的初始延时，C＇为水体中某位置的水体衰减系数。
本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行实施所述闪光成像激光雷达测量水体后向衰减系数的方法。
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行所述闪光成像激光雷达测量水体后向衰减系数的方法。
本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施所述闪光成像激光雷达测量水体后向衰减系数的方法。
本发明的另一目的在于提供一种所述闪光成像激光雷达测量水体后向衰减系数的方法在液体测量中的应用。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明基于水体的后向散射模型，采用相邻帧差法实现了水的衰减系数的实时遥感测量。首先基于水体中总的后向散射强度模型建立了水体衰减系数与后向散射强度的关系，随后根据本发明提出的相邻帧差法可以实时测量水体中某位置的后向散射强度，进而得到水体的衰减系数。实验和理论分析充分说明了采用相邻帧差法对水体衰减系数进行实时遥感测量的可行性，具有较强的实用价值。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
图1是本发明实施例提供的水体衰减系数与后向散射强度的关系模型的获取方法流程图；
图2是本发明实施例提供的后向散射计算中光斑与接收视场变化中水体的后向散射模型的几何光学示意图；
图3是本发明实施例提供的采用相邻帧差法求水的衰减系数的原理图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
一、解释说明实施例：
实施例1
本发明实施例提供一种闪光成像激光雷达测量水体后向衰减系数的方法包括以下步骤：
将利用相邻帧差法测得的水体中某位置的前后沿后向散射强度值，联合水体衰减系数与后向散射强度的关系模型，获得水体中某位置的水体衰减系数。
实施例2
根据实施例1记载的闪光成像激光雷达测量水体后向衰减系数的方法，在一优选实施例中，如图1所示，水体衰减系数与后向散射强度的关系模型的获取方法包括以下步骤：
S101，分析激光光斑与接收视场之间不同重叠面积的后向散射，引入重叠因子F，构建水体中总的后向散射强度公式；
S102，基于构建的水体中总的后向散射强度公式，对目标距离激光雷达系统的水平距离进行求解，获取微分方程；
S103，利用获得的微分方程建立水体衰减系数与后向散射强度的关系模型。
实施例3
根据实施例2记载的闪光成像激光雷达测量水体后向衰减系数的方法，如图2所示，其中，α为激光器出射光束的半发散角，γ为接收器的半视场角，AR为有效接收面积，P0为出射激光功率，发射中心轴与接收中心轴之间夹角的一半为θ，r为目标距离激光雷达系统的水平距离，d0为发射与接收中心距离，A(r)为距离r处激光的照射面积，C为水体总衰减系数，则在水体中的后向散射强度：
Figure BDA0003873063530000071
其中，U为后向散射系数，AR是有效接收面积。
后向散射计算中光斑与接收视场变化中激光光斑和接收视场界面的几何尺寸随着激光源和目标之间的距离而变化，从而导致它们的重叠区域发生变化。为了分析激光光斑与接收视场之间不同重叠面积的后向散射，引入重叠因子F，定义为接收视场内捕获的激光光斑面积与总激光辐照量的比值：
Figure BDA0003873063530000072
重叠面积部分对光斑截面和接收视场截面的张角分别为ω1和ω2，r1和r2分别为光斑截面圆和接收视场截面圆的半径，d是两截面圆的圆心距，发射光学系统和接收光学系统的半径分别为rL和rR，则根据三角函数关系可计算出，重叠面积在不同位置时的详细表达式：
Figure BDA0003873063530000081
F的引入降低了等式积分的维数，将(1)式的二重积分变为普通积分以简化计算。根据(1)式和(3)式，水体中总的后向散射强度可进一步表示为：
Figure BDA0003873063530000082
其中，AR为有效接收面积，P0为出射激光功率，θ为发射中心轴与接收中心轴之间夹角的一半值，r为目标距离激光雷达系统的水平距离，Cr为在r处的水体总衰减系数，U为后向散射系数，F重叠因子，b为水体位置，e≈2.7182。
在S102中，对目标距离激光雷达系统的水平距离进行求解，获取微分方程为：
Figure BDA0003873063530000083
其中，dPb为后向散射强度值，AR为有效接收面积，P0为出射激光功率，θ为发射中心轴与接收中心轴之间夹角的一半值，r为目标距离激光雷达系统的水平距离，Cr为在r处的水体总衰减系数，U为后向散射系数，F重叠因子，dr为在r处的发射与接收中心距离，b为水体位置。
在S103中，水体衰减系数与后向散射强度的关系模型为：
Figure BDA0003873063530000084
其中，C为水体衰减系数，r为目标距离激光雷达系统的水平距离，θ为发射中心轴与接收中心轴之间夹角的一半值，dPb为后向散射强度值，dr为在r处的发射与接收中心距离，AR为有效接收面积，P0为出射激光功率，U为后向散射系数，F重叠因子，r为目标距离激光雷达系统的水平距离，b为水体位置，只有距离r和后向散射对距离的微分
Figure BDA0003873063530000091
是未知量；因此，本发明只要知道
Figure BDA0003873063530000092
和所对应的距离r就可以得到水体的某个位置衰减系数。
作为本领域技术人员可知，本发明实施例提供的闪光成像激光雷达测量水体后向衰减系数的方法首先根据水中的后向散射模型，建立水体的衰减系数与相邻帧差法(AFDinterframe difference algorithm)实时测量到的后像散射强度值之间的关系。
本质上，水体后向散射光和激光雷达目标回波光都是水中不同物体对入射光的反射信号。因此，依据激光雷达方程提供的水下光传输及反射原理，可以建立水体后向散射光计算模型，
实施例4
相邻帧差法是一种适用于闪光成像激光雷达的三维重构方法，该方法通过对ICCD接收到的相邻两帧强度图像的差值图像进行阈值分割，可以在选通门的前沿和后沿分别获取目标的距离信息。根据相邻帧差法的特点在可知，相邻帧差法可以实时获取选通门前后沿所对应的后像散射强度。
采用相邻帧差法求水的衰减系数的原理如图3所示，利用相邻帧差法测得的水体中某位置的前后沿后向散射强度值包括以下步骤：
Δτgata为闪光成像雷达的选通门宽，Δτstep为闪光成像雷达的延时步长；目标距离激光雷达系统的水平距离r大于R1则重叠因子F为1，增强电荷耦合器件(ICCD)接收到的强度图像为全部激光束在水体中的后向散射强度图像。
激光雷达系统接收到的相邻两帧后向散射强度图像为第k帧和第k+1帧，对于这两帧强度图像的差值图像ΔIk，差值图像中前沿部分的像素强度值为水体中r2处的后向散射强度，记作
Figure BDA0003873063530000101
差值图像中后沿部分的像素强度值为水体中r1处的后向散射强度，记作
Figure BDA0003873063530000102
其中，前后沿后向散射强度值分别为dPr2和dPr1，具体公式分别为：
Figure BDA0003873063530000103
Figure BDA0003873063530000104
获得水体中某位置的水体衰减系数包括：将公式(7)和公式(8)分别代入公式(6)，得到：
Figure BDA0003873063530000105
其中，r1＝v(Δτ+kΔτstep)，r2＝v[Δτ+(k+1)Δτstep]，v为水中光速，Δτ为系统设定的初始延时，C＇为水体中某位置的水体衰减系数，AR为有效接收面积，P0为出射激光功率，θ为发射中心轴与接收中心轴之间夹角的一半值，r为目标距离激光雷达系统的水平距离，U为后向散射系数，F重叠因子，C为水体衰减系数，dPb为后向散射强度值，b为水体位置。
二、应用实施例：
应用例
本发明实施例还提供了一种计算机设备，该计算机设备包括：至少一个处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述至少一个处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任意各个方法实施例中的步骤。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时可实现上述各个方法实施例中的步骤。
本发明实施例还提供了一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施如上述各方法实施例中的步骤，所述信息数据处理终端不限于手机、电脑、交换机。
本发明实施例还提供了一种服务器，所述服务器用于实现于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施如上述各方法实施例中的步骤。
本发明实施例提供了一种计算机程序产品，当计算机程序产品在电子设备上运行时，使得电子设备执行时可实现上述各个方法实施例中的步骤。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质至少可以包括：能够将计算机程序代码携带到拍照装置/终端设备的任何实体或装置、记录介质、计算机存储器、只读存储器(Read-OnlyMemory,ROM)、随机存取存储器(RandomAccessMemory,RAM)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质。例如U盘、移动硬盘、磁碟或者光盘等。
三、实施例相关效果的证据：
本发明实施例经上述实验，比较AFD方法在步长为1ns和2ns时和由Beer-LambertLaw得到的水中3-8米处的平均衰减系数，相对误差分别为0.98％和3.91％。在步长为1ns时采用AFD方法得到的水体衰减系数的相对误差略小，这正符合本发明的分析结果。
此外，当延时步长分别为1ns和2ns时，根据拟合得到的水体衰减系数分别为0.1287和0.1232。其相对误差分别为3.23％和7.37％。与AFD方法相比，相对误差较大。这是由于拟合方法需要测量足够多的点来保证其准确性。AFD方法可以克服这个缺点。当延时步长为2ns时，尽管测量的点的数量只有步长为1ns时的一半，也能将相对误差控制在3.91％。
表1 不同距离范围Beer-Lambert Law与AFD比较
Figure BDA0003873063530000131
随后本发明进一步对比了AFD方法在步长为1ns时和Beer-Lambert Law在不同距离范围内的平均衰减系数。如12所示，当距离范围在3-4m，3-5m，3-6m，3-7m，3-8m和3-9m时，Beer-Lambert Law的相对误差分别为6.82％，0.82％，5.26％，3.78％和9.38％，平均相对误差为5.21％，AFD方法的相对误差分别为4.76％，2.89％，2.59％，4.82％和0.11％平均相对误差为3.04％。尽管在不同距离范围内的相对误差都不同，但是，AFD方法的平均相对误差小于Beer-Lambert Law。与Beer-Lambert Law相比，AFD方法的相对误差不会随着距离的而产生突变。通过Beer-Lambert Law测量得到的水中3-8米处的衰减系数的标准差为0.0083，通过AFD方法在1ns时测得的水中3-8米处的衰减系数的标准差为0.0052。因此，实验结果和理论分析充分说明，采用相邻帧差法测量水体的衰减系数是可靠的。
实验结果表明：本发明通过建立水体的后向散射模型，推导出后向散射强度与水体衰减系数的关系。并结合相邻帧差法提出了一种远程实时测量水体衰减系数的方法。该方法通过采用相邻帧差法得到的相邻两帧的强度图像中所对应的选通门前、后沿位置处的后向散射强度，根据所推导出的后像散射与水体衰减系数的关系，计算出水体的衰减系数。为了验证方法的可行性，本发明采用自行研制的闪光式激光成像雷达系统，在实验室环境中对水体3-8米处进行了实时测量研究，当相邻帧差法在延时步长为1ns和2ns时，计算出水体在3-8米处的衰减系数为0.1334±0.02和0.1382±0.03，理论分析可知，步长为1ns的测量结果更加准确。同时，本发明通过Beer-Lambert Law对水体中相同位置处的衰减系数进行了测量，测量结果约为0.1330+0.02。1ns步长的AFD方法与Beer-Lambert Law相比，误差约为1％。通过对比不同距离范围内的Beer-Lambert Law和AFD方法，充分验证了通过相邻帧差法测量水体衰减系数的可行性及可靠性。对水体衰减系数的实时远程测量提出了新的方案。
以上所述，仅为本发明较优的具体的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种闪光成像激光雷达测量水体后向衰减系数的方法，其特征在于，该方法利用相邻帧差法测得水体中某位置的前后沿后向散射强度值，联合水体衰减系数与后向散射强度的关系模型，获得水体中某位置的水体衰减系数，具体包括以下步骤：
步骤1，分析激光光斑与接收视场之间不同重叠面积的后向散射，引入重叠因子F，构建水体中总的后向散射强度公式；
步骤2，基于构建的水体中总的后向散射强度公式，对目标距离激光雷达系统的水平距离进行求解，获取微分方程；
步骤3，利用获得的微分方程建立水体衰减系数与后向散射强度的关系模型。
2.根据权利要求1所述的闪光成像激光雷达测量水体后向衰减系数的方法，其特征在于，在步骤1中，水体中总的后向散射强度公式为：
Figure FDA0003873063520000011
其中，AR为有效接收面积，P0为出射激光功率，θ为发射中心轴与接收中心轴之间夹角的一半值，r为目标距离激光雷达系统的距离，Cr为在r处的水体总衰减系数，U为后向散射系数，F为重叠因子。
3.根据权利要求1所述的闪光成像激光雷达测量水体后向衰减系数的方法，其特征在于，在步骤2中，对目标距离激光雷达系统的距离进行求解，获取微分方程为：
Figure FDA0003873063520000012
其中，dPb为后向散射强度值，AR为有效接收面积，P0为出射激光功率，θ为发射中心轴与接收中心轴之间夹角的一半值，r为目标距离激光雷达系统的距离，Cr为在r处的水体总衰减系数，U为后向散射系数，F为重叠因子。
4.根据权利要求1所述的闪光成像激光雷达测量水体后向衰减系数的方法，其特征在于，在步骤3中，水体衰减系数与后向散射强度的关系模型为：
Figure FDA0003873063520000021
其中，C为水体衰减系数，r为目标距离激光雷达系统的水平距离，θ为发射中心轴与接收中心轴之间夹角的一半值，dPb为后向散射强度值，AR为有效接收面积，P0为出射激光功率，U为后向散射系数，F重叠因子。
5.根据权利要求1所述的闪光成像激光雷达测量水体后向衰减系数的方法，其特征在于，利用相邻帧差法测得水体中某位置的前后沿后向散射强度值包括：
当Δτgata为闪光成像雷达的选通门宽，Δτstep为闪光成像雷达的延时步长；目标距离激光雷达系统的距离r大于R1则重叠因子F为1，增强电荷耦合器件接收到的强度图像为全部激光束在水体中的后向散射强度图像；
激光雷达系统接收到的相邻两帧后向散射强度图像为第k帧和第k+1帧，对于这两帧强度图像的差值图像ΔIk，差值图像中前沿部分的像素强度值为水体中r2处的后向散射强度，记作
Figure FDA0003873063520000022
差值图像中后沿部分的像素强度值为水体中r1处的后向散射强度，记作
Figure FDA0003873063520000031
其中，前后沿后向散射强度值分别为dPr2和dPr1，具体公式分别为：
Figure FDA0003873063520000032
Figure FDA0003873063520000033
6.根据权利要求5所述的闪光成像激光雷达测量水体后向衰减系数的方法，其特征在于，获得水体中某位置的水体衰减系数包括：
将公式
Figure FDA0003873063520000034
Figure FDA0003873063520000035
分别代入公式
Figure FDA0003873063520000036
Figure FDA0003873063520000037
得到：
Figure FDA0003873063520000038
其中，r1＝v(Δτ+kΔτstep)，r2＝v[Δτ+(k+1)Δτstep]，v为水中光速，k表示图像帧数，Δτ为系统设定的初始延时，C＇为水体中某位置的水体衰减系数。
7.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行实施权利要求1-7任意一项所述闪光成像激光雷达测量水体后向衰减系数的方法。
8.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行实施权利要求1-7任意一项所述闪光成像激光雷达测量水体后向衰减系数的方法。
9.一种信息数据处理终端，其特征在于，所述信息数据处理终端用于实现于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施权利要求1-7任意一项所述闪光成像激光雷达测量水体后向衰减系数的方法。
10.一种如权利要求1-7任意一项所述闪光成像激光雷达测量水体后向衰减系数的方法在液体测量中的应用。
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