星载单光子激光雷达的叶绿素浓度垂直剖面反演方法技术

本发明专利技术公开了星载单光子激光雷达的叶绿素浓度垂直剖面反演方法，属于激光遥感技术领域，用于获取海水参数、叶绿素参数的垂直剖面，包括：沿卫星飞行方向，将星载单光子激光雷达获取的水面信号光子点云与水体后向散射信号光子点云进行分离提取；利用RL反卷积算法校正单光子激光雷达余脉冲效应对光子信号的影响；构建星载单光子激光雷达水面反射信号光子与水体后向散射信号光子的概率统计模型，利用风速数据计算激光雷达系统常数；构建光谱经验解析模型，计算水体叶绿素的垂直剖面。与现有技术相比，本发明专利技术能够准确反演待测水域的水体叶绿素垂直剖面结果，对于监测水体污染、藻类爆发、海洋碳循环、以及全球气候变化等多个领域具有重要意义。具有重要意义。具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】
星载单光子激光雷达的叶绿素浓度垂直剖面反演方法


[0001]本专利技术公开了星载单光子激光雷达的叶绿素浓度垂直剖面反演方法，属于激光遥感


技术介绍

[0002]传统的星载线性体制激光雷达用于水体叶绿素探测时，主要处理海洋目标反射、散射的激光雷达回波波形数据；相对于传统线性体制激光雷达，单光子激光雷达探测器灵敏度提升了2
‑
3个数量级，使得其垂直分辨率以及探测效率都有明显提升，通过卫星平台获取水下微弱的后向散射信号成为可能，进而能够获取海水参数、叶绿素参数的垂直剖面。但新一代单光子体制激光雷达不具备波形记录功能，只能记录单个光子信号的有无，不能记录信号的大小，所有被单光子探测器响应的入射光子不论是信号还是噪声，都对应一个空间三维光子点云。此外，单光子探测器所特有的余脉冲效应对辐射传输的非线性影响也必须被考虑和校正。

技术实现思路

[0003]本专利技术公开了星载单光子激光雷达的叶绿素浓度垂直剖面反演方法，以解决现有技术中，单光子激光雷达不能记录信号大小、余脉冲效应对结果产生影响的问题。
[0004]星载单光子激光雷达的叶绿素浓度垂直剖面反演方法，包括：S1：沿卫星飞行方向，将星载单光子激光雷达获取的水面信号光子点云与水体后向散射信号光子点云进行分离提取；S2：利用RL反卷积算法校正单光子激光雷达余脉冲效应对光子信号的影响；S3：构建星载单光子激光雷达水面反射信号光子与水体后向散射信号光子的概率统计模型，利用风速数据计算激光雷达系统常数；S4：构建光谱经验解析模型，计算水体叶绿素的垂直剖面。
[0005]优选地，所述S1包括：S1.1.利用空间点云密度分类方法，提取密度更高的水面反射光子点云；S1.2.通过水面光子点云，计算水面的波浪高度信息，用于确定水面反射信号光子在垂直方向的上下边界；S1.3.以水面上下边界为高度阈值，在沿卫星飞行方向分段构建水面反射信号光子点云集和水体后向散射信号光子点云集；S1.4.计算单次激光脉冲获取的平均水面光子点云数量以及在深度方向等间隔采样的水体后向散射信号光子点云序列。
[0006]优选地，所述S1.1包括：将单光子激光雷达获取的光子点云数据进行空间网格化，每个空间网格大小在沿卫星飞行方向的长度间隔为Δl，在高度方向的间隔为Δh，每个空间网格内的光子点云密度N(i，j)定义为沿卫星飞行方向第i个且沿高度方向第j个网格空间范围内的光子点云数量，计算所有空间网格点云密度的平均值μ和标准差σ，并以此为依
据计算出水面反射信号光子点云的鉴别阈值TH，满足：（1）（2）e
a
是比例系数，取值为2~4，n
l
为沿卫星飞行方向的网格数量n
l
=[max(l)
‑
min(l)]/Δl，[ ]为向上取整运算符，l为光子点云沿卫星飞行方向的坐标；n
h
为在高度方向的网格数量n
h
=[max(h)
‑
min(h)]/Δh，h为光子点云沿高度方向的坐标，若空间网格密度N(i，j)大于鉴别阈值TH，则当前网格空间范围内的光子点云都被分类为水面反射的点云光子。
[0007]优选地，所述S1.2包括：移除靠近水面的激光雷达水体后向散射光子点云，选择水面有效波高SWH的下限作为水体光子点云的起算深度，具体为：在沿卫星飞行方向每个长度为Δl的分段中，计算S1.1获取的水面反射信号光子的平均高度h
pho
与标准差σ
sub
，在每个Δl分段中，在垂直方向以平均高度h
pho
为中心，采用水面有效波高SWH=4σ
sub
作为波浪高度的垂直范围阈值，确定当前分段水面光子对应高度的上下边界[H
min
，H
max
]，筛选位于水面上下边界之间的光子点云，用于构建在沿卫星飞行方向每个长度为Δl分段内的水面反射信号光子点云集n
s
，并构建水体后向散射信号光子集n
u
，如式（3）所示，第i个分段内的水面反射信号光子集与水体后向散射信号光子集满足：第i个分段内的水面反射信号光子集与水体后向散射信号光子集满足：第i个分段内的水面反射信号光子集与水体后向散射信号光子集满足：第i个分段内的水面反射信号光子集与水体后向散射信号光子集满足：（3）[l
j
，h
j
]是全部接收光子点云中第j个光子的坐标，l
j
对应第j个光子沿卫星飞行方向的距离，h
j
对应高度；L(i)是第i个沿卫星飞行方向分段的起始位置。
[0008]优选地，所述S1.3包括：在沿卫星飞行方向累计连续k个分段的水体后向散射信号光子集，计算平均每次激光脉冲获取光子点云在深度方向等间隔采样的水体后向散射信号点云数量序列N
u
(z)=[N
u
(z1)，N
u
(z2)，
…
，N
u
(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，N
u
(z1)表示在深度z1处的平均每次激光脉冲后向散射对应的光子点云数量，以相同的沿卫星飞行方向累计方式，计算平均每次激光脉冲在水面获取的光子点云数量N
s
，N
s
对应平均水面位置，深度为0，即N
s
=N
u
(0)，合并表示，，此时z1=0。
[0009]优选地，所述S2包括：单光子激光雷达观测到的激光脉冲点云序列y(z)包括水面反射平均信号点云数量N
s
与水体后向散射平均信号点云数量序列N
u
(z)，是每次激光脉冲真实获取的水面、水体光子点云序列与单光子激光雷达系统的脉冲响应函数H(z)的卷积，表示为，*表示卷积运算，基于RL反卷积算法通过迭代求取真实获取的水面、水体光子点云序列x(z)，它的第i次迭代计算的表
达为：（4）x
i+1
(z)为第i次迭代的真实光子点云序列的估计值，当残差小于设定阈值或者迭代次数达到上限时迭代终止；H(z)为单光子激光雷达探测器的脉冲响应函数，包括收发光学系统、单光子探测器件对发射和接收激光脉冲时间分布以及探测器件温度和电压的相关影响，由激光雷达系统自身硬件决定，对于给定的单光子激光雷达是已知或可算的；当已知脉冲响应函数H(z)时，通过RL反卷积校正余脉冲效应，滤除主脉冲之后非接收光子引起的小幅度余脉冲，经过反卷积后不同深度平均每次激光脉冲真实获取的光子点云序列x(z)可以表示为，对应水体后向散射光子点云数量序列N
u
(z)经过反卷积后得到真实水体后向散射光子点云数量序列N
u
′
(z)、水面反射光子点云数量N
s
进行反卷积后得到真实水面反射光子点云数量本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.星载单光子激光雷达的叶绿素浓度垂直剖面反演方法，其特征在于，包括：S1：沿卫星飞行方向，将星载单光子激光雷达获取的水面信号光子点云与水体后向散射信号光子点云进行分离提取；S2：利用RL反卷积算法校正单光子激光雷达余脉冲效应对光子信号的影响；S3：构建星载单光子激光雷达水面反射信号光子与水体后向散射信号光子的概率统计模型，利用风速数据计算激光雷达系统常数；S4：构建光谱经验解析模型，计算水体叶绿素的垂直剖面。2.根据权利要求1所述的星载单光子激光雷达的叶绿素浓度垂直剖面反演方法，其特征在于，所述S1包括：S1.1.利用空间点云密度分类方法，提取密度更高的水面反射光子点云；S1.2.通过水面光子点云，计算水面的波浪高度信息，用于确定水面反射信号光子在垂直方向的上下边界；S1.3.以水面上下边界为高度阈值，在沿卫星飞行方向分段构建水面反射信号光子点云集和水体后向散射信号光子点云集；S1.4.计算单次激光脉冲获取的平均水面光子点云数量以及在深度方向等间隔采样的水体后向散射信号光子点云序列。3.根据权利要求2所述的星载单光子激光雷达的叶绿素浓度垂直剖面反演方法，其特征在于，所述S1.1包括：将单光子激光雷达获取的光子点云数据进行空间网格化，每个空间网格大小在沿卫星飞行方向的长度间隔为Δl，在高度方向的间隔为Δh，每个空间网格内的光子点云密度N(i，j)定义为沿卫星飞行方向第i个且沿高度方向第j个网格空间范围内的光子点云数量，计算所有空间网格点云密度的平均值μ和标准差σ，并以此为依据计算出水面反射信号光子点云的鉴别阈值TH，满足：（1）（2）e
a
是比例系数，取值为2~4，n
l
为沿卫星飞行方向的网格数量n
l
=[max(l)
‑
min(l)]/Δl，[ ]为向上取整运算符，l为光子点云沿卫星飞行方向的坐标；n
h
为在高度方向的网格数量n
h
=[max(h)
‑
min(h)]/Δh，h为光子点云沿高度方向的坐标，若空间网格密度N(i，j)大于鉴别阈值TH，则当前网格空间范围内的光子点云都被分类为水面反射的点云光子。4.根据权利要求2所述的星载单光子激光雷达的叶绿素浓度垂直剖面反演方法，其特征在于，所述S1.2包括：移除靠近水面的激光雷达水体后向散射光子点云，选择水面有效波高SWH的下限作为水体光子点云的起算深度，具体为：在沿卫星飞行方向每个长度为Δl的分段中，计算S1.1获取的水面反射信号光子的平均高度h
pho
与标准差σ
sub
，在每个Δl分段中，在垂直方向以平均高度h
pho
为中心，采用水面有效波高SWH=4σ
sub
作为波浪高度的垂直范围阈值，确定当前分段水面光子对应高度的上下边界[H
min
，H
max
]，筛选位于水面上下边界之间的光子点云，用于构建在沿卫星飞行方向每个长度为Δl分段内的水面反射信号光子点云集n
s
，并构建水体后向散射信号光子集n
u
，如式（3）所示，第i个分段内的水面反射信号光子集与水体后向散射信号光子集满足：
（3）[l
j
，h
j
]是全部接收光子点云中第j个光子的坐标，l
j
对应第j个光子沿卫星飞行方向的距离，h
j
对应高度；L(i)是第i个沿卫星飞行方向分段的起始位置。5.根据权利要求2所述的星载单光子激光雷达的叶绿素浓度垂直剖面反演方法，其特征在于，所述S1.3包括：在沿卫星飞行方向累计连续k个分段的水体后向散射信号光子集，计算平均每次激光脉冲获取光子点云在深度方向等间隔采样的水体后向散射信号点云数量序列N
u
(z)=[N
u
(z1)，N
u
(z2)，
…
，N
u
(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，N
u
(z1)表示在深度z1处的平均每次激光脉冲后向散射对应的光子点云数量，以相同的沿卫星飞行方向累计方式，计算平均每次激光脉冲在水面获取的光子点云数量N
s
，N
s
对应平均水面位置，深度为0，即N
s
=N
u
(0)，合并表示，此时z1=0。6.根据权利要求1所述的星载单光子激光雷达的叶绿素浓度垂直剖面反演方法，其特征在于，所述S2包括：单光子激光雷达观测到的激光脉冲点云序列y(z)包括水面反射平均信号点云数量N
s
与水体后向散射平均信号点云数量序列N
u
(z)...

【专利技术属性】
技术研发人员：马跃，郑慧莹，张智宇，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：