一种基于差分阈值评估的海洋激光雷达层次探测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于差分阈值评估的海洋激光雷达层次探测方法，包括以下步骤：针对机载激光雷达信号，通过对信号进行去重、去除背景信号及距离校正等预处理后，筛选出有效信号范围，建立差分函数模型，通过分析信号斜率变化的幅度，将层峰

【技术实现步骤摘要】
一种基于差分阈值评估的海洋激光雷达层次探测方法


[0001]本专利技术属于海洋激光雷达
，尤其是涉及一种基于差分阈值评估的海洋激光雷达层次探测方法。

技术介绍

[0002]海洋生态系统在维持地球生命系统和物质循环方面具有重大意义，对人类的生产生活具有重大影响。以浮游植物为主的薄层，是海洋初级生产力的体现。薄层的厚度从几厘米到十几厘米不等，其水平分布可延伸至数千米，并持续数天甚至数月。薄层所在水域与周围水域存在明显不同，薄层中的叶绿素可高达背景水体的55倍，在这种叶绿素水平的影响下，薄层对碳循环、有机物运输转移、渔业发展及有害藻华暴发等地球生物化学过程具有重要影响。
[0003]层次检测技术可以帮助更好地理解薄层的水下分布与生长状况，实现对海洋碳循环及海洋生态变化的理解与监测；层次检测也是实现激光雷达反演的基础。层次检测技术可实现激光雷达信号的准确分类，帮助确定不同颗粒物的激光雷达比，为后续实现激光雷达反演，获得生物光学剖面奠定基础。
[0004]近年来，激光雷达层次检测技术蓬勃发展，涌现了许多优秀的层次检测算法。在大气层次检测方面，斜率法通过多点窗口拟合信号斜率，在一定数量的连续斜率大于零时，确定层基；小波协方差法(WCT)通过小波函数对回波信号进行变换，通过分析小波变换模的局部最大值得到层次位置；公开号为CN113504528A的中国专利文献公开了一种基于多尺度假设检验的大气层次检测方法，该专利技术利用一个固定大小的滑动窗口检测经过衰减计算后的整条信号，根据泊松分布、高斯分布或伯努利分布判断窗口的中心点是否属于层次点。阈值法是目前使用最广泛的层次检测方法，如公开号为CN107870336A的中国专利文献公开了一种用于星载激光雷达的可穿透层层底迭代检测方法，该专利技术将层底
‑
层顶信号计算得到的衰减散射比与廓线扫描所得的衰减散射比的比值作为阈值，通过迭代算法不断优化大气边界层的检测。在海洋激光雷达层次探测方面，NOAA提出的扰动法是目前使用最广泛的海洋激光雷达层次检测算法，自然资源部第二海洋研究所的学者在此基础上迭代更新，提出了自适应的扰动法用于检测海洋层次。扰动法首先假设激光雷达信号在水体中指数衰减，衰减系数为常数，通过线性拟合的手段筛选层底与层峰。
[0005]考虑到海洋与大气有着不同的物理性质，气体分子与水分子不同的光学特性导致激光在大气与海洋中传播时具有不同的衰减及散射特点，海洋次表层与水体的相对强度不及气溶胶及云层强烈，现有大气检测算法不适用于海洋环境。为实现海洋激光雷达层次探测而开发的扰动法原理简单，但受先验假设的影响，层次检测结果受水体特性影响较大，在信号波动较大的情况下易产生较大检测误差。因此，亟需开发一种针对海洋、准确快速的层次检测算法。

技术实现思路

[0006]为解决现有技术存在的上述问题，本专利技术提供了一种基于差分阈值评估的海洋激光雷达层次探测方法，可以实现海洋浮游植物层次的快速、准确检测。
[0007]一种基于差分阈值评估的海洋激光雷达层次探测方法，通过对比信号斜率变化的幅度，将层峰
‑
层底相对强度作为约束条件，从激光雷达回波信号中筛选出海洋层次；具体包括以下步骤：
[0008](1)针对机载激光雷达信号，对相同GPS信号去重；
[0009](2)对去重后的机载激光雷达信号进行初步去噪，去除背景信号的影响；
[0010](3)根据作业高度，对初步去噪后的激光雷达信号进行距离校正；
[0011](4)对于校正后的激光雷达信号，沿着单廓线平滑去噪，确定单廓线的有效激光雷达信号范围；
[0012](5)建立差分函数模型，设定一个固定大小为W的滑动窗口，计算相邻两个窗口内信号的斜率差值；
[0013](6)设定峰高阈值，确定差分函数的峰值大小及位置，确定层底与层高；
[0014](7)设定相对强度筛选阈值，计算层峰
‑
层底相对强度，舍去低于阈值的不合理层次检测结果，最终确定这条廓线对应的层次位置。
[0015]本专利技术基于工作在蓝绿波段的海洋激光雷达，通过提出一种基于差分阈值评估的检测技术，实现海洋层次的准确探测。
[0016]考虑到激光雷达的高频采样，为降低偶然误差，步骤(1)中，针对机载激光雷达信号，对相同GPS定位的回波信号做多次平均，完成对相同GPS信号去重。
[0017]步骤(2)中，进行初步去噪的具体过程为：在多次平均的回波信号的基础上，假设无穷远处回波信号可忽略不计，取信号的末端100个采样点的均值作为背景信号，线性运算剔除该背景信号。
[0018]步骤(3)中，进行距离校正的公式为：
[0019]S
M
(z)＝S
o
(z)
×
(nH+z)2[0020]式中，S
o
和S
M
分别代表剔除背景信号的激光雷达回波信号和距离校正后的激光雷达回波信号；n、H和z分别代表水体折射率、雷达作业高度和水体穿透深度。
[0021]步骤(4)中，确定单廓线的有效激光雷达信号范围的过程为：
[0022](4
‑
1)针对单廓线计算相邻采样点的变化量
[0023](4
‑
2)找到信号衰减至强度最大值千分之一处的深度位置z
r
，作为有效信号最大深度；
[0024](4
‑
3)设定窗口宽度d，在所选深度z
r
以下依次滑动窗口并计算窗口内变化量的均值φ(z)；
[0025](4
‑
4)以φ(z)为阈值判断信号波动程度，若在某一深度Z
noise
后连续多个采样点变化量超过阈值φ(z)，判定深度Z
noise
后的信号为无效信号；取深度2m
‑
Z
noise
范围内回波信号为有效信号S
E
。
[0026]步骤(5)的具体过程为：
[0027](5
‑
1)在深度2m
‑
Z
noise
范围内对单廓线进行对数处理
[0028]LogS(z)＝ln(S
E
(z))
[0029](5
‑
2)设定固定大小的滑动窗口W，对单条廓线计算以x
z
为中心的前后两窗口内信号的斜率值，以F(x
z
)和G(x
z
)(x≤z
r
)分别代表计算所得的斜率值；
[0030](5
‑
3)定义差分函数模型：
[0031]Fun＝G(x)
‑
F(x)。
[0032]步骤(6)中，以差分函数Fun的二分位数为峰高阈值，寻找差分函数Fun的峰值，舍去峰高阈值以下的值，第一个峰值位置为层高，最后一个峰值位置为层底。
[0033]步骤(7本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于差分阈值评估的海洋激光雷达层次探测方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)针对机载激光雷达信号，对相同GPS信号去重；(2)对去重后的机载激光雷达信号进行初步去噪，去除背景信号的影响；(3)根据作业高度，对初步去噪后的激光雷达信号进行距离校正；(4)对于校正后的激光雷达信号，沿着单廓线平滑去噪，确定单廓线的有效激光雷达信号范围；(5)建立差分函数模型，设定一个固定大小为W的滑动窗口，计算相邻两个窗口内信号的斜率差值；(6)设定峰高阈值，确定差分函数的峰值大小及位置，确定层底与层高；(7)设定相对强度筛选阈值，计算层峰
‑
层底相对强度，舍去低于阈值的不合理层次检测结果，最终确定这条廓线对应的层次位置。2.根据权利要求1所述的基于差分阈值评估的海洋激光雷达层次探测方法，其特征在于，步骤(1)中，针对机载激光雷达信号，对相同GPS定位的回波信号做多次平均，完成对相同GPS信号去重。3.根据权利要求1所述的基于差分阈值评估的海洋激光雷达层次探测方法，其特征在于，步骤(2)中，进行初步去噪的具体过程为：取信号的末端100个采样点的均值作为背景信号，线性运算剔除该背景信号。4.根据权利要求1所述的基于差分阈值评估的海洋激光雷达层次探测方法，其特征在于，步骤(3)中，进行距离校正的公式为：S
M
(z)＝S
o
(z)
×
(nH+z)2式中，S
o
和S
M
分别代表剔除背景信号的激光雷达回波信号和距离校正后的激光雷达回波信号；n、H和z分别代表水体折射率、雷达作业高度和水体穿透深度。5.根据权利要求1所述的基于差分阈值评估的海洋激光雷达层次探测方法，其特征在于，步骤(4)中，确定单廓线的有效激光雷达信号范围的过程为：(4
‑
1)针对单廓线计算相邻采样点的变化量(4
‑
2)找到信号衰减至强度最大值千分之一处的深度位置z
r
，作为有效信号最大深度；(4
‑
3)设定窗口宽度d，在所选深度z
r
以下依次滑动窗口并计算窗口内变化量的均值φ(z)；(4
‑
...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘东，章菡，周雨迪，赵泓楷，陈亚佟，蒋铖冲，袁明珠，陶雨婷，乐成峰，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：