CN117194876B - 一种基于激光雷达水体回波的水体漫射衰减系数提取方法 - Google Patents

一种基于激光雷达水体回波的水体漫射衰减系数提取方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于激光雷达水体回波的水体漫射衰减系数提取方法，涉及数据处理领域，具体步骤为：1.利用国产机载双频海洋蓝绿激光雷达Mapper5000进行数据采集获得激光回波波形数据；2.选取不饱和的系统发射波形，利用高斯‑指数卷积函数进行非线性最小二乘拟合去除背景噪声影响，作为标准发射波形；3.选取激光回波波形，利用背景噪声的均值和标准差对波形进行截取，选取有效回波部分；4.将有效回波分为海面‑水体‑海底三个部分，将有效回波分解为三个标准发射函数与指数衰减函数卷积和，进行非线性最小二乘拟合获得最佳拟合结果，选取水体指数衰减系数乘以水体折射率，再除以光在真空中速度，至此完成水体漫射衰减系数提取。

Description

一种基于激光雷达水体回波的水体漫射衰减系数提取方法
技术领域
本发明涉及数据处理领域，具体是一种基于激光雷达水体回波的水体漫射衰减系数提取方法。
背景技术
机载蓝绿激光雷达在浅海水深测量领域发挥着重要作用，除了水深测量，还可以通过分析激光雷达回波波形来估计水体漫射衰减系数。不仅能够反映激光雷达的最大测深能力，而且为激光雷达硬件参数设置、软件处理阈值设置等提供重要依据。目前水体漫射衰减系数采用对激光雷达回波波形指数拟合获得，但是在探测器接收激光雷达回波过程中，受视场角与硬件特性影响存在一定的偏差；使用指数拟合获得的水体漫射衰减系数，因测量点少、精度低等突出问题，已经不能满足水体漫射衰减系数获取的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于激光雷达水体回波的水体漫射衰减系数提取方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于激光雷达水体回波的水体漫射衰减系数提取方法，包括以下步骤：
a、数据获取：利用国产机载双频海洋激光雷达Mapper5000进行数据采集获得激光回波波形数据。
b、标准发射波形获取：选取不饱和的系统发射波形，用波形减背景噪声平均值进行背景噪声去除，采用高斯-指数卷积函数进行非线性最小二乘拟合。
c、有效回波波形提取：以背景噪声均值与三倍标准差和为阈值，截取激光回波波形强度值大于此阈值的部分。
d、水体漫射衰减系数提取：基于有效回波波形，采用三个标准回波波形与指数衰减函数卷积进行非线性最小二乘拟合获得水体指数衰减系数，水体指数衰减系数乘以水体折射率除以光在真空中速度即为水体漫射衰减系数。
作为本发明进一步的方案，所述步骤a包括如下子步骤：
a1、数据获取
使用国产机载双频海洋激光雷达Mapper5000采集获得激光回波波形数据，通过数据下载、截取等处理获得测区回波波形数据。
作为本发明进一步的方案，所述步骤b包括如下子步骤：
b1、选取不饱和的系统发射波形
根据系统发射波形强度值，选取强度值最大值小于850的波形，作为非线性最小二乘拟合的基础数据。
b2、背景噪声去除
如图2所示，选取系统发射波形最后50个回波点，计算其强度值平均值Pmean，在原波形P基础上减去平均值得到去除背景噪声后的系统发射波形
b3、高斯-卷积函数非线性最小二乘拟合
由于激光雷达探测器PMT存在的拖尾效应，导致接收的标准高斯回波产生右偏，因此采用高斯-指数卷积函数拟合这一过程。基于去除噪声后的系统发射波形，采用高斯-指数卷积函数进行非线性最小二乘拟合，获得标准发射波形PT：
PT＝Aexp[-(t-μ)2/2σ2]*exp-kt
其中A是高斯函数强度值，μ是高斯函数平均值，σ是高斯函数方差，k是PMT信号衰减系数，t是时间。
作为本发明进一步的方案，所述步骤c包括如下子步骤：
c1、背景噪声平均值与标准差的计算
如图2所示，选取系统发射波形最后50个回波点，计算其强度值平均值Pmean与标准差Pstd：
c2、提取有效回波
如图3所示，设置背景噪声平均值与标准差三倍之和为阈值，沿波形从左向右搜索，记连续5个回波信号强度值大于阈值为波形起始位置Pstart；沿波形从右向左搜索，记连续5个回波信号强度值大于阈值为波形终止位置Pend。
作为本发明进一步的方案，所述步骤d包括如下子步骤：
d1、波形分解
在激光的辐射传输过程中，激光穿过海面和水体，到达海底后被反射后穿过水体和海面被探测器接收，因此接收的激光回波信号可以分解为三部分：海面回波PS、水体回波PW和海底回波PB。此过程中激光受海面、水体和海底的衰减作用影响，能量呈指数衰减，因此将三部分回波表示为标准发射波形与指数衰减函数卷积，其中kS，kW，kB分别为海面、水体、海底的指数衰减系数，其中水体指数衰减系数乘以水体折射率除以光在真空中速度即为水体漫射衰减系数。拟合波形表示为三部分之和：
d2、非线性最小二乘拟合
基于激光雷达回波波形数据，采用Levenberg Marquardt方法获取回波波形的最佳估计。
d2.1、初始值确定
目前待拟合参数共有12个：其中k可由系统发射波形拟合得到；AS为海面回波强度值，由激光回波第一个峰值最大值确定，μS为最大值位置对应时间；AW为水体回波强度值，其初始值与海面回波强度值相同，μW初始值与μS相同；AB为海底回波强度值，由激光第二个峰值最大值确定，μB为其对应时间，σS，σW，σB均设置为与标准发射波形标准差σ相同，kS，kW，kB均设置初始值为0.05s·m-1(对应Kd为0.22m-1)。
d2.2、参数拟合上下限
海面、水体、海底回波强度值下限均设置为0，上限均设置为对应最大值；μS上下限设置为μS±10s，由于激光在辐射传输过程中受到散射作用会产生时间展宽，因此μW、μB的上下限设置为±30s；标准发射波形的标准差σ一般在2±0.1s之间，因此σS的上下限设置为0～σ+2s，由于时间展宽影像σW，σB设置上下限为0～σ+4s；海面与海底反射的绝大部分光子在接收视场角之外，因此kS、kW上下限均设置为0～2s·m-1，水体的指数衰减系数主要取决于水体的漫射衰减系数，在适合激光雷达探测水深水体中，绝大部分水体漫射衰减系数小于1m-1，因此kB上下限设置为0～0.225s·m-1(对应Kd为0～1.00m-1)。
d3、终止迭代条件
当迭代步长N大于设置的最大迭代步长Nmax或相邻两次迭代误差δ之差小于1e-6，则认为已获得激光回波波形最好估计，迭代误差定义为原始波形与拟合波形之差，表达式如下：
与现有技术相比，本发明的有益效果是：该发明提供了一种基于激光雷达水体回波的水体漫射衰减系数提取方法，该方法显著提升水体漫射衰减系数提取精度，适用于获取大范围水体漫射衰减系数。
附图说明
图1为基于激光雷达水体回波的水体漫射衰减系数提取方法中数据获取示意图。
图2为基于激光雷达水体回波的水体漫射衰减系数提取方法中标准发射波形获取示意图。
图3为基于激光雷达水体回波的水体漫射衰减系数提取方法中背景噪声平均值与标准差计算示意图。
图4为基于激光雷达水体回波的水体漫射衰减系数提取方法中提取有效回波示意图。
图5为基于激光雷达水体回波的水体漫射衰减系数提取方法中波形分解示意图。
图6为基于激光雷达水体回波的水体漫射衰减系数提取方法中水体指数衰减系数提取示意图。
图7为基于激光雷达水体回波的水体漫射衰减系数提取方法整体流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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做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。
请参阅图1～3，本发明实施例中，一种基于激光雷达水体回波的水体漫射衰减系数提取方法，包括以下步骤：
a、数据获取：利用国产机载双频海洋激光雷达Mapper5000进行数据采集获得激光回波波形数据；
所述步骤d包括如下子步骤：
a1、数据获取
使用国产机载双频海洋激光雷达Mapper5000采集获得激光回波波形数据，通过数据下载、截取等处理获得测区回波波形数据。
b、标准发射波形获取：选取不饱和的系统发射波形，用波形减背景噪声平均值进行背景噪声去除，采用高斯-指数卷积函数进行非线性最小二乘拟合；
所述步骤b包括如下子步骤：
b1、选取不饱和的系统发射波形
根据系统发射波形强度值，选取强度值最大值小于850的波形，作为非线性最小二乘拟合的基础数据。
b2、背景噪声去除
如图2所示，选取系统发射波形最后50个回波点，计算其强度值平均值Pmean，在原波形P基础上减去平均值得到去除背景噪声后的系统发射波形
b3、高斯-卷积函数非线性最小二乘拟合
由于激光雷达探测器PMT存在的拖尾效应，导致接收的标准高斯回波产生右偏，因此采用高斯-指数卷积函数拟合这一过程。基于去除噪声后的系统发射波形，采用高斯-指数卷积函数进行非线性最小二乘拟合，获得标准发射波形PT：
PT＝Aexp[-(t-μ)2/2σ2]*exp-kt
其中A是高斯函数强度值，μ是高斯函数平均值，σ是高斯函数方差，k是PMT信号衰减系数，t是时间；
c、有效回波波形提取：以背景噪声均值与三倍标准差和为阈值，截取激光回波波形强度值大于此阈值的部分；
所述步骤c包括如下子步骤：
c1、背景噪声平均值与标准差的计算
如图2所示，选取系统发射波形最后50个回波点，计算其强度值平均值Pmean与标准差Pstd：
c2、提取有效回波
如图3所示，设置背景噪声平均值与标准差三倍之和为阈值，沿波形从左向右搜索，记连续5个回波信号强度值大于阈值为波形起始位置Pstart；沿波形从右向左搜索，记连续5个回波信号强度值大于阈值为波形终止位置Pend。
d、水体漫射衰减系数提取：基于有效回波波形，采用三个标准回波波形与指数衰减函数卷积进行非线性最小二乘拟合获得水体指数衰减系数，水体指数衰减系数乘以水体折射率除以光在真空中速度即为水体漫射衰减系数‘’
所述步骤d包括如下子步骤：
d1、波形分解
在激光的辐射传输过程中，激光穿过海面和水体，到达海底后被反射后穿过水体和海面被探测器接收，因此接收的激光回波信号可以分解为三部分：海面回波PS、水体回波PW和海底回波PB。此过程中激光受海面、水体和海底的衰减作用影响，能量呈指数衰减，因此将三部分回波表示为标准发射波形与指数衰减函数卷积，其中kS，kW，kB分别为海面、水体、海底的指数衰减系数，其中水体指数衰减系数乘以水体折射率除以光在真空中速度即为水体漫射衰减系数。拟合波形表示为三部分之和：
d2、非线性最小二乘拟合
基于激光雷达回波波形数据，采用Levenberg Marquardt方法获取回波波形的最佳估计。
d2.1、初始值确定
目前待拟合参数共有12个：其中k可由系统发射波形拟合得到；AS为海面回波强度值，由激光回波第一个峰值最大值确定，μS为最大值位置对应时间；AW为水体回波强度值，其初始值与海面回波强度值相同，μW初始值与μS相同；AB为海底回波强度值，由激光第二个峰值最大值确定，μB为其对应时间，σS，σW，σB均设置为与标准发射波形标准差σ相同，kS，kW，kB均设置初始值为0.05s·m-1(对应Kd为0.22m-1)。
d2.2、参数拟合上下限
海面、水体、海底回波强度值下限均设置为0，上限均设置为对应最大值；μS上下限设置为μS±10s，由于激光在辐射传输过程中受到散射作用会产生时间展宽，因此μW、μB的上下限设置为±30s；标准发射波形的标准差σ一般在2±0.1s之间，因此σS的上下限设置为0～σ+2s，由于时间展宽影像σW，σB设置上下限为0～σ+4s；海面与海底反射的绝大部分光子在接收视场角之外，因此kS、kW上下限均设置为0～2s·m-1，水体的指数衰减系数主要取决于水体的漫射衰减系数，在适合激光雷达探测水深水体中，绝大部分水体漫射衰减系数小于1m-1，因此kB上下限设置为0～0.225s·m-1(对应Kd为0～1.00m-1)。
d3、终止迭代条件
当迭代步长N大于设置的最大迭代步长Nmax或相邻两次迭代误差δ之差小于1e-6，则认为已获得激光回波波形最好估计，迭代误差定义为原始波形与拟合波形之差，表达式如下：
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (3)

1.一种基于激光雷达水体回波的水体漫射衰减系数提取方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、数据获取：利用机载双频海洋蓝绿激光雷达进行数据采集获得激光回波波形数据；
b、标准发射波形获取：选取不饱和的系统发射波形，用波形减背景噪声平均值进行背景噪声去除，采用高斯-指数卷积函数进行非线性最小二乘拟合；
c、有效回波波形提取：以背景噪声均值与三倍标准差和为阈值，截取激光回波波形强度值大于此阈值的部分；
d、水体漫射衰减系数提取：基于有效回波波形，采用三个标准回波波形与指数衰减函数卷积进行非线性最小二乘拟合获得水体指数衰减系数，水体指数衰减系数乘以水体折射率除以光在真空中速度即为水体漫射衰减系数；
所述步骤b包括如下子步骤：
b1、选取不饱和的系统发射波形
根据系统发射波形强度值，选取强度值最大值小于850的波形，作为非线性最小二乘拟合的基础数据；
b2、背景噪声去除
选取系统发射波形最后j个回波点，j取50，计算其强度值平均值Pmean，在原波形P基础上减去平均值得到去除背景噪声后的系统发射波形
b3、高斯-卷积函数非线性最小二乘拟合
由于激光雷达探测器PMT存在的拖尾效应，导致接收的标准高斯回波产生右偏现象，采用高斯-指数卷积函数拟合这一过程，基于去除噪声后的系统发射波形，采用高斯-指数卷积函数进行非线性最小二乘拟合，获得标准发射波形PT：
PT＝Aexp[-(t-μ)2/2σ2]*exp-kt
其中A是高斯函数强度值，μ是高斯函数平均值，σ是高斯函数方差，k是PMT信号衰减系数，t是时间；
所述步骤d包括如下子步骤：
d1、波形分解
在激光的辐射传输过程中，激光穿过海面和水体，到达海底后被反射后穿过水体和海面被探测器接收，接收的激光回波信号分解为三部分：海面回波PS、水体回波PW和海底回波PB，此过程中激光受海面、水体和海底的衰减作用影响，能量呈指数衰减，将三部分回波表示为标准发射波形与指数衰减函数卷积，其中kS，kW，kB分别为海面、水体、海底的指数衰减系数，其中水体指数衰减系数乘以水体折射率除以光在真空中速度即为水体漫射衰减系数，拟合波形表示为三部分之和：
d2、非线性最小二乘拟合
基于激光雷达回波波形数据，采用Levenberg Marquardt方法获取回波波形的最佳估计；
d2.1、初始值确定
目前待拟合参数共有12个：其中k由系统发射波形拟合得到；AS为海面回波强度值，由激光回波第一个峰值最大值确定，μS为最大值位置对应时间；AW为水体回波强度值，其初始值与海面回波强度值相同，μW初始值与μS相同；AB为海底回波强度值，由激光第二个峰值最大值确定，μB为其对应时间，σS，σW，σB均设置为与标准发射波形标准差σ相同，kS，kW，kB均设置初始值为0.05s·m-1，对应Kd为0.22m-1；
d2.2、参数拟合上下限
海面、水体、海底回波强度值下限均设置为0，上限均设置为对应最大值；μS上下限设置为μS±10s，μW、μB的上下限设置为±30s；σS的上下限设置为0～σ+2s，时间展宽影像σW，σB设置上下限为0～σ+4s；海面与海底反射的绝大部分光子在接收视场角之外，kS、kW上下限均设置为0～2s·m-1，kB上下限设置为0～0.225s·m-1，对应Kd为0～1.00m-1；
d3、终止迭代条件
当迭代步长N大于设置的最大迭代步长Nmax或相邻两次迭代误差δ之差小于1e-6，则认为已获得激光回波波形最好估计，迭代误差定义为原始波形与拟合波形之差，表达式如下：
2.根据权利要求1所述的一种基于激光雷达水体回波的水体漫射衰减系数提取方法，其特征在于，所述步骤a包括如下子步骤：
a1、数据获取
使用国产机载双频海洋蓝绿激光雷达Mapper5000采集获得激光回波波形数据，通过数据下载、截取处理获得测区回波波形数据。
3.根据权利要求1所述的一种基于激光雷达水体回波的水体漫射衰减系数提取方法，其特征在于，所述步骤c包括如下子步骤：
c1、背景噪声平均值与标准差的计算
选取系统发射波形最后j个回波点，j取50，计算其强度值平均值Pmean与标准差Pstd：
c2、提取有效回波
设置背景噪声平均值与标准差三倍之和为阈值，沿波形从左向右搜索，记连续5个回波信号强度值大于阈值为波形起始位置Pstart；沿波形从右向左搜索，记连续5个回波信号强度值大于阈值为波形终止位置Pend。
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