基于激光雷达测深系统确定海水深度的方法技术方案

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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wi(i＝0,1,2,L N)，对应采样时刻ti(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yi(i＝0,1,2,L N)；步骤二、对步骤一中滤波后所得数据yi(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： f 1 ( t ) = H 1 × exp ( - ( t - u 1 ) 2 2 δ 1 2 ) - - - ( 1 ) ]]>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： f 2 ( t ) = 0 t ≤ a e ( t - a b - a ) a ≤ t ≤ b e c - b g + t ( g - e ) c - b b ≤ t ≤ c g ( d 本文档来自技高网...

【技术保护点】
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wi(i＝0,1,2,L N)，该回波幅值对应的采样时刻为ti(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yi(i＝0,1,2,L N)；步骤二、对步骤一中滤波后所得数据yi(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：f1(t)=H1×exp(-(t-u1)22δ12)---(1)]]>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：f2(t)=0t≤ae(t-ab-a)a≤t≤bec-bg+t(g-e)c-bb≤t≤cg(d-td-c)c≤t≤d0t≥d---(2)]]>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：f3(t)=H3×exp(-(t-u3)22δ32)---(3)]]>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ao、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*；θ*=argmin(Σi=1N[yi-f(ti,θ)]2)---(5)]]>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：ϵ(θ*)=1N-dimθ*Σi=1N[yi-f(ti,θ*)]2---(6)]]>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：D=cn×u3*-u1*2---(7)]]>式(7)中，c为光速，n为折射率。...

【技术特征摘要】
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wi(i＝0,1,2,L N)，该回波幅值对应的采样时刻为ti(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yi(i＝0,1,2,L N)；步骤二、对步骤一中滤波后所得数据yi(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： f 1 ( t ) = H 1 × exp ( - ( t - u 1 ) 2 2 δ 1 2 ) - - - ( 1 ) ]]>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： f 2 ( t ) = 0 t ≤ a e ( t - a b - a ) a ≤ t ≤ b e c - b g + t ( g - e ) c - b b ≤ t ≤ c g ( d - t d - c ) c ≤ t ≤ d 0 t ≥ d - - - ...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵毅强，薛文佳，胡凯，辛睿山，赵公元，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12