一种基于解析模型的多视场海洋激光雷达数据正则化反演方法技术

本发明专利技术公开了一种基于解析模型的多视场海洋激光雷达数据正则化反演方法，利用基于准单次小角度散射近似理论的解析模型计算特定水体参数的仿真信号，通过灵敏度模型和正则化方法求解对特定水体参数进行数值矫正，采取多次迭代运算获得一组水体参数使得仿真信号与实测信号之间的差异小于设定阈值，从而实现高精度水体固有光学特性参数和颗粒物粒径的反演，并进一步引入生物光学模型推演了叶绿素浓度在水中的垂直分布情况。本发明专利技术的方法为多视场海洋激光雷达提供了有效的海水光学性质反演算法，能够实现高精度的多水体特性反演，提升海洋激光雷达的水体微物理性质探测能力。升海洋激光雷达的水体微物理性质探测能力。升海洋激光雷达的水体微物理性质探测能力。

【技术实现步骤摘要】
一种基于解析模型的多视场海洋激光雷达数据正则化反演方法


[0001]本专利技术属于海洋激光雷达
，尤其是涉及一种基于解析模型的多视场海洋激光雷达数据正则化反演方法。

技术介绍

[0002]海洋是全球最大的碳储存库，海洋中的浮游植物是初级生产力的重要来源，通过叶绿体的光合作用和线粒体的呼吸作用参与全球碳循环过程。
[0003]目前的海洋探测手段包括原位仪器、被动遥感和主动遥感，其中主动遥感领域的激光雷达由于其能够实现昼夜探测、不受纬度限制、可获取海洋垂直剖面信息等优势获得广泛关注，成为了一种重要的海洋探测手段。海洋激光雷达利用激光脉冲的飞行时间和能量强度获取海洋的水体参数信息，脉冲的飞行时间反映了海水深度，脉冲的能量强度反映了水体的固有光学特性。在仅考虑单次散射的情况下，激光雷达的回波信号强度将以光束衰减系数c呈指数衰减，然而海水的致密性使得激光雷达能够在水中发生多次散射，造成时间和空间的激光脉冲展宽，导致激光雷达的衰减偏离理想情况，给水体的固有光学特性反演带来了问题。
[0004]多次散射效应对激光雷达回波信号的影响来自于两个方面，一方面是激光雷达的系统参数设置，另一方面是海水本身的固有光学特性。就激光雷达的系统参数设置而言，接收视场角是一项重要的影响因素。在较小的视场角下，大量多次散射信号将溢出接收视场，使得回波信号的衰减接近于光束衰减系数c，而在较大的视场角下，多次散射信号能够被系统接收，使得回波信号衰减接近于a+b
b
。通过设置视场角大小，可以获得受到不同程度多次散射效应影响的激光雷达信号，从而实现海水固有光学特性、颗粒物粒径分布以及水中浮游植物叶绿素浓度的反演。
[0005]现有系列研究，对海水的多次散射效应进行了讨论，提出了海洋垂直剖面信息的探测及反演方法，如公开号为CN107976686A的中国专利文献基于参数灵敏度评价方法，讨论了工作在蓝绿激光波段的海洋激光雷达视场角选择问题，然而该方法仅对多视场海洋激光雷达设置进行了优化，并未提出水体固有光学特性的反演方法。公开号为CN107831485A的中国专利文献基于Walker#Mclean模型提出了一种船载多视场激光雷达的数据反演方法，然而这种方法采取的相函数固定，无法针对实际后向散射情况进行相函数更换，此外其引入了多次散射系数估计、散射系数近似和最大深度近似等假设，可能影响探测精度，且无法提供颗粒物粒径、叶绿素浓度等参数。
[0006]因此，亟需提出一种能够应用于多视场海洋激光雷达的多参数高精度反演方法，为激光雷达探测海洋垂直剖面提供更加全面的理论支撑。本专利技术提出了一种基于解析模型的多视场海洋激光雷达数据反演算法，利用解析模型计算设定水体固有光学特性参数的激光雷达理论回波信号，通过灵敏度模型推算设定参数与实际参数之间的差值，从而实现多视场海洋激光雷达数据到水体固有光学特性参数以及水中浮游植物叶绿素浓度的反演。

技术实现思路

[0007]针对现有激光雷达在海洋水体固有光学特性参数探测的局限性，本专利技术提供了一种基于解析模型的多视场海洋激光雷达数据正则化反演方法，能够利用多视场海洋激光雷达数据反演海洋水体微物理特性参数。
[0008]在已知多视场海洋激光雷达的视场大小情况下，假定一组水体固有光学特性参数基于解析模型进行仿真，获取多个视场角下理论信号与实际信号之间的差值，利用灵敏度模型可将信号差值转换为水体固有光学特性参数差值，经过多次迭代计算后可获得一组参数能够保证所有视场下的实际信号与仿真信号的误差小于设定阈值，此时的设定参数即为水体的有效光学特性反演值。
[0009]一种基于解析模型的多视场海洋激光雷达数据正则化反演方法，包括以下步骤：
[0010](1)假定激光雷达接收视场角分别为FOV1，FOV2，FOV3，根据准小角度单次散射近似理论，计算深度为z处的水体信号如下：
[0011][0012]其中，FOV
x
代表视场角，x＝1，2，3，C0为系统常数，n为折射率、H为激光雷达系统距水面的高度，τ(z)为单次散射条件下的光学厚度，等于光束衰减系数c在深度上的积分，为探测器有效区域的傅里叶变换，B为后向散射分数，v为空间频率，b代表散射系数，ξ代表水深的积分变量，P(z,p)为前向散射相函数的Hankel变换；设置水体相函数为FF相函数，计算对应的Hankel变换为
[0013][0014]其中，代表归一化的FF相函数；
[0015](2)利用水体分层模型将水体设置为分层水体，单层水体的深度为Δz，第j层的深度z
j
＝j
×
Δz，探测位置第M层处的深度z＝z
M
＝M
×
Δz，考虑频谱间隔为Δv，第i处的频率v
i
＝i
×
Δv，最大频率v
max
＝N
×
Δv；假定初始条件下，每一层的吸收系数、散射系数、后向散射系数均为a0、b0、b
b0
，后向散射分数B＝b
b0
/b，在初始设置下仿真激光雷达的回波信号，计算公式如下：
[0016][0017](3)对于三视场海洋激光雷达而言，FOV1，FOV2，FOV3下仿真得到的激光雷达信号分别为F
FOV1
，F
FOV2
，F
FOV3
，计算仿真信号与实际激光雷达信号的差值为ΔF
FOV1
，ΔF
FOV2
，ΔF
FOV3
；
[0018](4)计算水深z处的水体参数灵敏度模型，定义z处受z'处水体参数影响的灵敏度为X＝a,b,b
b
，分别代表吸收系数a、散射系数b、后向散射系数b
b
的灵敏度，算得
吸收系数灵敏度散射系数灵敏度和后向散射系数灵敏度
[0019](5)利用仿真信号与实际信号的差值ΔF
FOV1
，ΔF
FOV2
，ΔF
FOV3
和三个视场下的水体参数灵敏度模型计算设置的水体参数a0、b0、b
b0
的矫正值Δa、Δb、Δb
b
，计算公式如下：
[0020][0021]其中下标M代表了水体的总层数；
[0022](6)通过矫正值Δa、Δb、Δb
b
更新设定的水体固有光学特性参量a、b、b
b
；
[0023](7)将更新后的水体固有光学特性参量重新进行仿真，获得FOV1，FOV2，FOV3三个视场对应的仿真信号F
FOV1
，F
FOV2
，F
FOV3
，计算仿真信号与实测信号之间的相对误差是否小于设定的误差阈值Δ
threshold
；
[0024]若小于设定误差阈值，则认为矫正后的a、b、b
b
符合精度要求，a、b、b
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于解析模型的多视场海洋激光雷达数据正则化反演方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)假定激光雷达接收视场角分别为FOV1，FOV2，FOV3，根据准小角度单次散射近似理论，计算深度为z处的水体信号如下：其中，FOV
x
代表视场角，x＝1，2，3，C0为系统常数，n为折射率、H为激光雷达系统距水面的高度，τ(z)为单次散射条件下的光学厚度，等于光束衰减系数c在深度上的积分，为探测器有效区域的傅里叶变换，B为后向散射分数，v为空间频率，b代表散射系数，ξ代表水深的积分变量，P(z,p)为前向散射相函数的Hankel变换；设置水体相函数为FF相函数，计算对应的Hankel变换为其中，代表归一化的FF相函数；(2)利用水体分层模型将水体设置为分层水体，单层水体的深度为Δz，第j层的深度z
j
＝j
×
Δz，探测位置第M层的深度z＝z
M
＝M
×
Δz，考虑频谱间隔为Δv，第i处的频率v
i
＝i
×
Δv，最大频率v
max
＝N
×
Δv；假定初始条件下，每一层的吸收系数、散射系数、后向散射系数均为a0、b0、b
b0
，后向散射分数B＝b
b0
/b0，在初始设置下仿真激光雷达的回波信号；(3)对于三视场海洋激光雷达而言，FOV1，FOV2，FOV3下仿真得到的激光雷达信号分别为F
FOV1
，F
FOV2
，F
FOV3
，计算仿真信号与实际激光雷达信号的差值为ΔF
FOV1
，ΔF
FOV2
，ΔF
FOV3
；(4)计算水深z处的水体参数灵敏度模型，定义z处受z'处水体参数影响的灵敏度为X＝a,b,b
b
，分别代表吸收系数a、散射系数b、后向散射系数b
b
的灵敏度，算得吸收系数灵敏度散射系数灵敏度和后向散射系数灵敏度(5)利用仿真信号与实际信号的差值ΔF
FOV1
，ΔF
FOV2
，ΔF
FOV3
和三个视场下的水体参数灵敏度模型计算设置的水体参数a0、b0、b
b0
的矫正值Δa、Δb、Δb
b
，计算公式如下：
其中下标M代表了水体的总层数；(6)通过矫正值Δa、Δb、Δb
b
更新设定的水体固有光学特性参量a、b、b
b
；(7)将更新后的水体固有光学特性参量重新进行仿真，获得FOV1，FOV2，FOV3三个视场对应的仿真信号F
FOV1
，F
FOV2
，F
FOV3
，计算仿真信号与实测信号之间的相对误差是否小于设定的误差阈值Δ
thr...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘东，陈亚佟，张凯，周雨迪，刘群，陈扬，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：