一种星载单光子激光雷达的水体光学参数反演方法技术

本发明专利技术涉及一种星载单光子激光雷达的水体光学参数反演方法，属于激光遥感技术领域，首先对星载单光子激光雷达在水面上方飞行并进行测量时的有效信号进行提取，通过反卷积算法消除单光子激光雷达的余脉冲效应。通过建立水体后向散射的理论模型，利用最小二乘拟合方法和所获取的消除余脉冲效应后的水体后向散射激光脉冲点云，计算水体后向体散射系数与漫射衰减系数，并根据水体参数后向散射模型计算水体后向散射系数。本发明专利技术可以通过星载单光子激光雷达飞越海洋时所获取的点云数据，快速准确地计算当地水体的海水次表层主要光学参数，这对水体污染、水体富营养化、水质下降等进行有效监测具有重要的作用。有效监测具有重要的作用。有效监测具有重要的作用。

【技术实现步骤摘要】
一种星载单光子激光雷达的水体光学参数反演方法


[0001]本专利技术属于激光遥感
，尤其涉及一种星载单光子激光雷达的水体光学参数反演方法。

技术介绍

[0002]针对海洋次表层的研究，船载方式、浮标方式的原位测量可以提供高精度的结果，但是其耗费较大，探测效率低，很难大面积覆盖实施；星载被动光学遥感方式受制于太阳辐射和卫星轨道限制，较难在高纬度地区进行工作，并且无法提供有效的垂直剖面分布。主动探测型激光雷达遥感得益于主动发射激光脉冲，可以进行全天时工作，星载激光雷达又具有覆盖范围广等优点，逐渐成为了研究的可靠工具。传统线性体制激光雷达的极限探测能力与探测效率有限，而雪崩光电二极管(Geiger
‑
mode Avalanche Photodiode,GM
‑
APD)和光电倍增管(Photomultiplier Tube,PMT)等单光子探测器能对单个光子的能量进行响应，比传统线性体制探测器的探测灵敏度提高了约1000倍，这极大的提升了激光雷达的性能。
[0003]在海洋次表层的光学参数反演层面，利用传统线性体制激光雷达获取海洋次表面光学参数已有较完善的理论、方法和实验，即：利用传统线性体制激光雷达所获取的全波形数据，通过建立波形参数与水体参数之间的物理或经验模型，提取和分析所测量波形的主要参数，反演水体衰减系数、散射系数。但线性体制激光雷达的水体光学参数反演方法并不适用于单光子体制，这是因为：单光子激光雷达并不具备波形记录功能，每次探测的结果为一个离散的光子事件，只能记录信号的有无，不能识别信号的大小；并且，由于单光子探测器灵敏度很高，受背景光影响较大，原始数据中含有大量的噪声光子，而在水体光学参数反演时仅需要水下后向散射信号光子；此外，单光子探测器受余脉冲效应的影响，会带来与传统线性体制探测器所不具有的额外噪声，需要在实际应用中进行修正。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种星载单光子激光雷达的水体光学参数反演方法，以解决现有技术中，线性体制激光雷达的水体光学参数反演方法并不适用于单光子体制的问题。
[0005]一种星载单光子激光雷达的水体光学参数反演方法，包括：
[0006]S1.获取星载单光子激光雷达在水面上方飞行并进行测量时的有效信号；
[0007]S2.利用反卷积算法消除单光子激光雷达的余脉冲效应；
[0008]S3.基于水体后向散射的理论模型，通过最小二乘拟合获取水体后向体散射系数与水体漫射衰减系数；
[0009]S4.计算水体后向散射系数。
[0010]优选地，所述有效信号为水体后向散射点云，即水体后向散射激光脉冲形成的点云，通过空间点云密度分类方法，提取空间点云密度更高的水面反射点云，所述水面反射点云即水面反射激光脉冲形成的点云，比水面反射点云高度值更高的点云对应大气散射激光
脉冲形成的点云，比水面反射点云高度值更低的点云对应水体后向散射点云。
[0011]优选地，步骤S1包括以下子步骤：
[0012]S1.1.计算单位空间内的点云密度；
[0013]S1.2.计算空间网格内的平均值μ和标准差σ；
[0014]S1.3.计算水面反射点云与大气和水体后向散射点云的鉴别阈值TH；
[0015]S1.4.计算平均每次激光脉冲获取点云在深度方向等间隔累计的后向散射激光脉冲点云序列y(z)＝[y(z1),y(z2),
…
,y(z
n
)]，z代表深度序列，z1,z2,
…
,z
n
代表不同深度，深度方向统计间隔Δz＝z2‑
z1＝z3‑
z2＝z4‑
z3。
[0016]优选地，步骤S1.1包括：每个空间网格大小在沿卫星飞行方向长度间隔为Δl，在高度方向间隔为Δh，在研究区域星载单光子激光雷达所获取的数据沿卫星飞行方向的总长度为L，高度方向总长度为H，则在沿卫星飞行方向的网格数量n
l
和在高度方向的网格数量n
h
分别可以表示为：n
l
＝ceil(L/Δl)，n
h
＝ceil(H/Δh)，ceil表示向上取整函数；将研究区域内的数据进行空间网格划分，在沿卫星飞行方向的第i个且沿高度方向第j个网格的空间坐标范围F(i,j)满足：
[0017][0018]L
start
和L
end
分别是研究区域内沿卫星飞行方向的起始坐标和终止坐标，H
min
和H
max
分别是研究区域内高度方向记录范围，即激光雷达的距离窗的最小值和最大值；统计每个空间网格坐标范围F(i,j)内的光子点云数量，即单位空间内的点云密度，记为N(i,j)。
[0019]优选地，步骤S1.2中，
[0020]优选地，步骤S1.3中，TH＝μ+e
a
×
σ，e
a
是比例系数，在研究区域内，所有空间网格密度N(i,j)大于鉴别阈值TH的空间范围内点云都分类为水面反射点云。
[0021]优选地，步骤S2中，y(z)是真实水体后向散射信号序列x(z)＝[x(z1),x(z2),
…
,x(z
n
)]与单光子激光雷达系统的脉冲响应函数H(z)的卷积，即y(z)＝H(z)x(z)，z代表深度序列，y(z)＝H(z)x(z)等同于：
[0022][0023]z1,z2,
…
,z
n
代表不同深度。
[0024]优选地，单光子激光雷达系统的脉冲响应函数H(z)可以通过其激光脉冲入射至平面目标的接收信号计算获取，或者在单光子激光雷达系统内部截取部分激光脉冲能量对应的接收信号计算获取，当已知脉冲响应函数H(z)时，通过反卷积x(z)＝H
‑1(z)y(z)获取消除余脉冲效应后的真实水下后向散射信号序列x(z)，其中H
‑1(z)表示H(z)的逆矩阵。
[0025]优选地，水体后向散射信号序列x(z)与水体参数后向散射理论函数可以表示为：
[0026][0027]exp为指数函数，sec为正割三角函数；β(π)代表角度为π时(后向)的体散射系数，K
d
代表水体漫射衰减系数，为待计算的两项参数；E
t
为单脉冲激光发射能量，η为单光子激光雷达系统的综合效率，h
p
为普朗克常数约等于6.63
×
10
‑
34J
·
s，v为激光波长效率，R为星载单光子激光雷达飞行高度，A
r
为激光雷达望远镜接收孔径有效面积，以上参数对于给定激光雷达系统都是已知参数；n
w
为水体折射率，θ为发射激光脉冲进入水体后的折射角，T
a
为激光脉冲通过大气层时的衰减系数，T
w
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种星载单光子激光雷达的水体光学参数反演方法，其特征在于，包括：S1.获取星载单光子激光雷达在水面上方飞行并进行测量时的有效信号；S2.利用反卷积算法消除单光子激光雷达的余脉冲效应；S3.基于水体后向散射的理论模型，通过最小二乘拟合获取水体后向体散射系数与水体漫射衰减系数；S4.计算水体后向散射系数。2.根据权利要求1所述的星载单光子激光雷达的水体光学参数反演方法，其特征在于，所述有效信号为水体后向散射点云，即水体后向散射激光脉冲形成的点云，通过空间点云密度分类方法，提取空间点云密度更高的水面反射点云，所述水面反射点云即水面反射激光脉冲形成的点云，比水面反射点云高度值更高的点云对应大气散射激光脉冲形成的点云，比水面反射点云高度值更低的点云对应水体后向散射点云。3.根据权利要求1所述的星载单光子激光雷达的水体光学参数反演方法，其特征在于，步骤S1包括以下子步骤：S1.1.计算单位空间内的点云密度；S1.2.计算空间网格内的平均值μ和标准差σ；S1.3.计算水面反射点云与大气和水体后向散射点云的鉴别阈值TH；S1.4.计算平均每次激光脉冲获取点云在深度方向等间隔累计的后向散射激光脉冲点云序列y(z)＝[y(z1),y(z2),
…
,y(z
n
)]，z代表深度序列，z1,z2,
…
,z
n
代表不同深度，深度方向统计间隔Δz＝z2‑
z1＝z3‑
z2＝z4‑
z3。4.根据权利要求3所述的星载单光子激光雷达的水体光学参数反演方法，其特征在于，步骤S1.1包括：每个空间网格大小在沿卫星飞行方向长度间隔为Δl，在高度方向间隔为Δh，在研究区域星载单光子激光雷达所获取的数据沿卫星飞行方向的总长度为L，高度方向总长度为H，则在沿卫星飞行方向的网格数量n
l
和在高度方向的网格数量n
h
分别可以表示为：n
l
＝ceil(L/Δl)，n
h
＝ceil(H/Δh)，ceil表示向上取整函数；将研究区域内的数据进行空间网格划分，在沿卫星飞行方向的第i个且沿高度方向第j个网格的空间坐标范围F(i,j)满足：L
start
和L
end
分别是研究区域内沿卫星飞行方向的起始坐标和终止坐标，H
min
和H
max
分别是研究区域内高度方向记录范围，即激光雷达的距离窗的最小值和最大值；统计每个空间网格坐标范围F(i,j)内的光子点云数量，即单位空间内的点云密度，记为N(i,j)。5.根据权利要求3所述的星载单光子激光雷达的水体光学参数反演方法，其特征在于，步骤S1.2中，6.根据权利要求3所述的星载单光子激光雷达的水体光学参数反演方法，其特征在于，步骤S1.3中，TH＝μ+e
a
×
σ，e
a
是比例系数，在研...

【专利技术属性】
技术研发人员：马跃，郑慧莹，宿殿鹏，阳凡林，黄珏，刘振，卜宪海，崔晓东，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：