CN116609758B - 一种机载激光测深波形旅行时提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机载激光测深波形旅行时提取方法，属于激光测量技术领域，用于波形旅行时的提取，首先基于Gold去卷积进行海面及海底初始范围确定，然后利用双指数函数拟合水体有效回波，并求取漫衰减系数，最后利用漫衰减系数对Gold去卷积所确定的海底初始回波进行增强，并对增强信号采用高斯函数分解，获取准确海底位置时刻，完成水下旅行时的提取。本发明通过这种方法，实现了波形水下旅行时的准确提取，该方法对于机载激光测深微弱波形水下斜距提取、机载激光测深系统点位归算及提高测深精度均具有重要的数据支撑作用。

Description

一种机载激光测深波形旅行时提取方法

技术领域

本发明公开一种机载激光测深波形旅行时提取方法，属于激光测量技术领域。

背景技术

机载激光测深技术具有高精度、高效率、强机动性、水陆两用等优势，特别适合海岸带、海岛礁等浅水海域复杂地形的快速探测，可以实现海岸带水上水下一体化无缝拼接，能够为海底资源调查、海洋工程应用、海洋环境保护、海洋科学研究、海洋军事应用等方面提供基础数据和重要依据。机载激光测深系统利用具有较强透水能力的绿色波段（532nm）进行水深探测，通过提取机载激光测深波形中海面回波与海底回波的位置时刻，便可计算海面至海底间的水下斜距，并加以姿态改正、折射改正等即可获取海底激光点的三维坐标。机载激光测深波形旅行时提取方法的研究对于微弱波形水下斜距提取、机载激光测深系统点位归算及提高测深精度均具有重要支撑作用。

当前主流的波形旅行时提取方法是采用比较经典的RLD去卷积算法，对于水深或水质等环境因素导致部分海底回波微弱，难以准确选择海底位置时刻，由此会影响海底激光点坐标的真实性，因此有必要针对这种问题，提出一种机载激光测深波形旅行时提取方法，以实现对机载激光测深波形旅行时的准确提取。

发明内容

本发明的目的在于提供一种机载激光测深波形旅行时提取方法，以解决现有技术中，波形旅行时提取方法对于水深或水质等环境因素导致部分海底回波微弱，难以准确选择海底位置时刻的问题。

一种机载激光测深波形旅行时提取方法，包括：

步骤1：利用Gold去卷积恢复目标横截面形状，选取海面、海底初始位置参数，确定海面及海底初始范围；

步骤2：基于海面及海底初始范围，选取水体有效范围，采用双指数函数拟合水体有效回波，并依据水体回波获取该波形的漫衰减系数K_d值；

步骤3：利用K_d值对海底初始范围内波形进行增强，并采用高斯函数分解增强信号，获取海底位置时刻，完成旅行时提取。

步骤1包括：

步骤1.1：对于离散的机载激光测深系统，其接收波形看作发射波形与目标横截面的卷积，如公式（1）所示：

(1)；

式中，y（i）代表接收波形，h代表脉冲响应函数，i代表波形中第i个样本点， k(n)代表第n个位置的目标横截面，N为h的接收波形样本数；

步骤1.2：机载激光测深过程中，发射波形与接收波形均为全记录采集，采用Gold去卷积避免式（1）中迭代不稳定的病态过程，将迭代收敛于约束子空间的最小二乘估计避免去卷积结果出现负值解，如公式（2）所示：

(2)；

式中，k_i(n)表示第i个样本点第n个波形的目标横截面，y'=H^Ty，H代表发射波形，y=y（i）代表接收波形，A为系数矩阵，A=H^TH， j代表发射波形的样本数；

步骤1.3：利用Gold去卷积所恢复的目标横截面形状，选取峰值位置作为海面海底初始位置，对原始接收波形采用线性插值法计算初始范围的起始与结束点，如公式（3）所示：

(3)；

式中，z（s）为第s点对应的纵坐标，x（s）为第s点对应的横坐标，x为线性插值所求海面及海底初始范围的起始点与结束点。

步骤2中漫衰减系数K_d值的获取包括：

步骤2.1：针对Gold去卷积所确定的海面及海底初始位置参数，采用高斯函数对海面及海底回波进行拟合，分解得到优化后的海面及海底反射回波，高斯函数基本形式y_q（t）如公式（4）所示：

(4)；

式中，R_v、μ_v、σ_v代表波峰振幅、波峰位置以及高斯标准差；

步骤2.2：从原始接收波形中剔除高斯分解后的海面及海底信号获取水体初始回波，并选取水体初始回波与原始接收回波的第一个交点作为水体有效范围起始点，海底初始范围最左侧点作为水体有效范围结束点，在此范围内采用双指数函数拟合水体有效信号f_ex（t），如公式（5）所示：

(5)；

式中，a、b、c代表指数函数的三个端点，E_a、E_b、E_c为三个端点的振幅值；

步骤2.3：基于机载激光测深系统在某水深的水体散射回波方程，构建基于机载激光测深水体有效回波的漫衰减系数提取模型，求取过程如公式（6）所示：

(6)；

其中，n_w为水体折射率，c_w为光速，K_d1为ab段K_d值，K_d2为bc段K_d值，Δt₁为ab段长度，Δt₂为bc段长度，K_d'为加权平均后的波形漫衰减系数值。

步骤3包括：

步骤3.1：系统硬件及环境条件对机载激光测深海底回波信号的贡献表示为公式（7）：

(7)；

其中，P_b(D)表示深度D时的海底反射回波强度，P_e表示激光发射强度，表示大气双程损失因子，A_R表示激光接收器的视场面积，η_e和η_R分别表示激光发射器的光学效率和激光接收器的光学效率，F表示接收视场角损失因子，L_S是表示表面反照率，R_b表示底部反射率，θ表示激光传入水体时的入射角，H表示飞机航高，D是所测水深；

步骤3.2：基于步骤1.3所求海底初始范围与步骤2.3所求K_d'，结合公式（7）对每一束激光测深点对应的海底初始回波进行增强，增强公式如（8）所示：

(8)；

式中，P_b ^*(D)表示经过增强后的海底回波信号；D_t表示海底反射波形每个采样时刻所对应的深度值；

步骤3.3：对增强后的海底回波采用高斯函数进行分解，获取准确的海底位置时刻，并结合步骤2.1所求海面位置时刻，提取波形水下旅行时。

相对比现有技术，本发明具有以下有益效果：基于Gold去卷积确定了海面及海底的初始范围，并确定了水体有效回波范围，进而采用双指数函数拟合水体有效回波，并依据双指数函数求取了波形漫衰减系数K _d 值；结合Gold去卷积所得海底初始范围对海底回波进行了增强，准确确定了海底位置时刻，实现波形旅行时的精确提取，为机载激光测深微弱波形水下斜距提取、机载激光测深系统点位归算及提高测深精度提供重要的数据支撑。

附图说明

图1为本发明机载激光测深波形旅行时提取方法的流程图。

图2为本发明中原始波动振幅值示意图。

图3为本发明中Gold去卷积所恢复目标横截面示意图。

图4为本发明中双指数函数拟合水体有效回波示意图。

图5为本发明中海底回波增强示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种机载激光测深波形旅行时提取方法，如图1，包括：

步骤1：利用Gold去卷积恢复目标横截面形状，选取海面、海底初始位置参数，确定海面及海底初始范围；

对于机载激光测深系统，其接收波形是系统发射波形与目标横截面卷积的结果，利用发射波形作脉冲响应函数来恢复目标横截面可选取波形的位置参数，然而由于系统噪声等影响，海底回波的初始位置参数并不总能轻易获取，因此对接收波形进行Gold去卷积以恢复目标横截面形状，通过选取峰值位置作为初始参数并对原始波形进行线性插值，进而确定海面及海底初始范围。本发明中原始波动振幅值示意图见图2，Gold去卷积所恢复目标横截面示意图见图3。Gold去卷积所恢复的目标横截面既可以获取海面初始位置，又能够较准确地确定海底初始范围。

步骤2：基于海面及海底初始范围，选取水体有效范围，采用双指数函数拟合水体有效回波，并依据水体回波获取该波形的漫衰减系数K _d 值；

从原始波形中剔除高斯分解后的海面与海底信号便可获取初始水体信号，然而该初始水体信号中掺杂着部分海面与海底信号，直接求取漫衰减系数K _d 值是准确的，因此有必要选取水体有效信号。由于激光脉冲能量在水体中的衰减呈指数形式，采用双指数函数拟合水体水体有效信号，并构建机载激光测深水体有效回波漫衰减系数计算模型，获取该波形所表示的漫衰减系数K _d 值。利用双指数函数提取漫衰减系数K _d 值示意图如图4。采用水体有效回波进行的漫衰减系数K _d 值计算能较好反映该水域的水质，为后续海底回波增强提供了数据保障。

步骤3：利用K _d 值对海底初始范围内波形进行增强，并采用高斯函数分解增强信号，获取海底位置时刻，完成旅行时提取。

为准确获取海底位置参数，进行旅行时提取，考虑激光雷达海底回波方程与漫衰减系数K _d 值机理，对Gold去卷积所确定海底初始范围进行波形增强，并对增强后的信号采用高斯函数进行分解，选取峰值位置作为海底实际位置时刻，结合高斯分解后的海面位置实现旅行时的提取。海底回波增强示意图见图5。分析激光雷达海底方程与漫衰减系数关系，通过对海底有效回波进行增强确定海底位置参数，结合高斯分解后的海面位置参数，实现了对波形水下旅行时的准确计算。

步骤1包括：

步骤1.1：对于离散的机载激光测深系统，其接收波形看作发射波形与目标横截面的卷积，如公式（1）所示：

(1)；

式中，y（i）代表接收波形，h代表脉冲响应函数，i代表波形中第i个样本点， k(n)代表第n个位置的目标横截面，N为h的接收波形样本数；

步骤1.2：机载激光测深过程中，发射波形与接收波形均为全记录采集，采用Gold去卷积避免式（1）中迭代不稳定的病态过程，将迭代收敛于约束子空间的最小二乘估计避免去卷积结果出现负值解，如公式（2）所示：

(2)；

式中，k_i(n)表示第i个样本点第n个波形的目标横截面，y'=H^Ty，H代表发射波形，y=y（i）代表接收波形，A为系数矩阵，A=H^TH， j代表发射波形的样本数；

步骤1.3：利用Gold去卷积所恢复的目标横截面形状，选取峰值位置作为海面海底初始位置，对原始接收波形采用线性插值法计算初始范围的起始与结束点，如公式（3）所示：

(3)；

式中，z（s）为第s点对应的纵坐标，x（s）为第s点对应的横坐标，x为线性插值所求海面及海底初始范围的起始点与结束点。

步骤2中漫衰减系数K_d值的获取包括：

步骤2.1：针对Gold去卷积所确定的海面及海底初始位置参数，采用高斯函数对海面及海底回波进行拟合，分解得到优化后的海面及海底反射回波，高斯函数基本形式y_q（t）如公式（4）所示：

(4)；

式中，R_v、μ_v、σ_v代表波峰振幅、波峰位置以及高斯标准差；

步骤2.2：从原始接收波形中剔除高斯分解后的海面及海底信号获取水体初始回波，并选取水体初始回波与原始接收回波的第一个交点作为水体有效范围起始点，海底初始范围最左侧点作为水体有效范围结束点，在此范围内采用双指数函数拟合水体有效信号f_ex（t），如公式（5）所示：

(5)；

式中，a、b、c代表指数函数的三个端点，E_a、E_b、E_c为三个端点的振幅值；

步骤2.3：基于机载激光测深系统在某水深的水体散射回波方程，构建基于机载激光测深水体有效回波的漫衰减系数提取模型，求取过程如公式（6）所示：

(6)；

其中，n_w为水体折射率，c_w为光速，K_d1为ab段K_d值，K_d2为bc段K_d值，Δt₁为ab段长度，Δt₂为bc段长度，K_d'为加权平均后的波形漫衰减系数值。

步骤3包括：

步骤3.1：系统硬件及环境条件对机载激光测深海底回波信号的贡献表示为公式（7）：

(7)；

其中，P_b(D)表示深度D时的海底反射回波强度，P_e表示激光发射强度，表示大气双程损失因子，A_R表示激光接收器的视场面积，η_e和η_R分别表示激光发射器的光学效率和激光接收器的光学效率，F表示接收视场角损失因子，L_S是表示表面反照率，R_b表示底部反射率，θ表示激光传入水体时的入射角，H表示飞机航高，D是所测水深；

步骤3.2：基于步骤1.3所求海底初始范围与步骤2.3所求K_d'，结合公式（7）对每一束激光测深点对应的海底初始回波进行增强，增强公式如（8）所示：

(8)；

式中，P_b ^*(D)表示经过增强后的海底回波信号；D_t表示海底反射波形每个采样时刻所对应的深度值；

步骤3.3：对增强后的海底回波采用高斯函数进行分解，获取准确的海底位置时刻，并结合步骤2.1所求海面位置时刻，提取波形水下旅行时。

本发明提供了机载激光测深波形旅行时提取方法，方法包括：基于Gold去卷积的目标横截面恢复，进而确定海面及海底回波初始范围；利用双指数函数拟合水体有效回波进而求取漫衰减系数K _d 值；并利用漫衰减系数K _d 值对Gold去卷积所确定的海底初始范围进行增强处理，确定准确海底位置时刻，实现对机载激光测深波形旅行时的准确提取。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (2)

1.一种机载激光测深波形旅行时提取方法，其特征在于，包括：

步骤1：利用Gold去卷积恢复目标横截面形状，选取海面、海底初始位置参数，确定海面及海底初始范围；

步骤2：基于海面及海底初始范围，选取水体有效范围，采用双指数函数拟合水体有效回波，并依据水体回波获取该波形的漫衰减系数K_d值；

步骤3：利用K_d值对海底初始范围内波形进行增强，并采用高斯函数分解增强信号，获取海底位置时刻，完成旅行时提取；

步骤1包括：

步骤1.1：对于离散的机载激光测深系统，其接收波形看作发射波形与目标横截面的卷积，如公式（1）所示：

(1)；

式中，y（i）代表接收波形，h代表脉冲响应函数，i代表波形中第i个样本点， k(n)代表第n个位置的目标横截面，N为h的接收波形样本数；

步骤1.2：机载激光测深过程中，发射波形与接收波形均为全记录采集，采用Gold去卷积避免式（1）中迭代不稳定的病态过程，将迭代收敛于约束子空间的最小二乘估计避免去卷积结果出现负值解，如公式（2）所示：

(2)；

式中，表示第n个波形的目标横截面，y'=H^Ty，H代表发射波形，y=y（i）代表接收波形，A为系数矩阵，A=H^TH，j代表发射波形的样本数；

步骤1.3：利用Gold去卷积所恢复的目标横截面形状，选取峰值位置作为海面海底初始位置，对原始接收波形采用线性插值法计算初始范围的起始与结束点，如公式（3）所示：

(3)；

式中，z（s）为第s点对应的纵坐标，x（s）为第s点对应的横坐标，x为线性插值所求海面及海底初始范围的起始点与结束点；

步骤2中漫衰减系数K_d值的获取包括：

步骤2.1：针对Gold去卷积所确定的海面及海底初始位置参数，采用高斯函数对海面及海底回波进行拟合，分解得到优化后的海面及海底反射回波，高斯函数基本形式y_q（t）如公式（4）所示：

(4)；

式中，R_v、μ_v、σ_v代表波峰振幅、波峰位置以及高斯标准差；

步骤2.2：从原始接收波形中剔除高斯分解后的海面及海底信号获取水体初始回波，并选取水体初始回波与原始接收回波的第一个交点作为水体有效范围起始点，海底初始范围最左侧点作为水体有效范围结束点，在此范围内采用双指数函数拟合水体有效信号f_ex（t），如公式（5）所示：

(5)；

式中，a、b、c代表指数函数的三个端点，E_a、E_b、E_c为三个端点的振幅值；

步骤2.3：基于机载激光测深系统在某水深的水体散射回波方程，构建基于机载激光测深水体有效回波的漫衰减系数提取模型，求取过程如公式（6）所示：

(6)；

其中，n_w为水体折射率，c_w为光速，K_d1为ab段K_d值，K_d2为bc段K_d值，Δt₁为ab段长度，Δt₂为bc段长度，K_d'为加权平均后的波形漫衰减系数值。

2.根据权利要求1所述的机载激光测深波形旅行时提取方法，其特征在于：步骤3包括：

步骤3.1：系统硬件及环境条件对机载激光测深海底回波信号的贡献表示为公式（7）：

(7)；

其中，P_b(D)表示深度D时的海底反射回波强度，P_e表示激光发射强度，表示大气双程损失因子，A_R表示激光接收器的视场面积，η_e和η_R分别表示激光发射器的光学效率和激光接收器的光学效率，F表示接收视场角损失因子，L_S是表示表面反照率，R_b表示底部反射率，θ表示激光传入水体时的入射角，/>表示飞机航高，D是所测水深；

步骤3.2：基于步骤1.3所求海底初始范围与步骤2.3所求K_d'，结合公式（7）对每一束激光测深点对应的海底初始回波进行增强，增强公式如（8）所示：

(8)；

式中，P_b ^*(D)表示经过增强后的海底回波信号；D_t表示海底反射波形每个采样时刻所对应的深度值；

步骤3.3：对增强后的海底回波采用高斯函数进行分解，获取准确的海底位置时刻，并结合步骤2.1所求海面位置时刻，提取波形水下旅行时。