一种基于激光雷达水体回波的水体漫射衰减系数提取方法技术

本发明专利技术提供了一种基于激光雷达水体回波的水体漫射衰减系数提取方法，涉及数据处理领域，具体步骤为：

【技术实现步骤摘要】
一种基于激光雷达水体回波的水体漫射衰减系数提取方法


[0001]本专利技术涉及数据处理领域，具体是一种基于激光雷达水体回波的水体漫射衰减系数提取方法
。

技术介绍

[0002]机载蓝绿激光雷达在浅海水深测量领域发挥着重要作用，除了水深测量，还可以通过分析激光雷达回波波形来估计水体漫射衰减系数
。
不仅能够反映激光雷达的最大测深能力，而且为激光雷达硬件参数设置
、
软件处理阈值设置等提供重要依据
。
目前水体漫射衰减系数采用对激光雷达回波波形指数拟合获得，但是在探测器接收激光雷达回波过程中，受视场角与硬件特性影响存在一定的偏差；使用指数拟合获得的水体漫射衰减系数，因测量点少
、
精度低等突出问题，已经不能满足水体漫射衰减系数获取的需求
。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于提供一种基于激光雷达水体回波的水体漫射衰减系数提取方法，以解决上述
技术介绍
中提出的问题
。
[0004]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0005]一种基于激光雷达水体回波的水体漫射衰减系数提取方法，包括以下步骤：
[0006]a、
数据获取：利用国产机载双频海洋激光雷达
Mapper5000
进行数据采集获得激光回波波形数据
。
[0007]b、
标准发射波形获取：选取不饱和的系统发射波形，用波形减背景噪声平均值进行背景噪声去除，采用高斯
‑
指数卷积函数进行非线性最小二乘拟合
。
[0008]c、
有效回波波形提取：以背景噪声均值与三倍标准差和为阈值，截取激光回波波形强度值大于此阈值的部分
。
[0009]d、
水体漫射衰减系数提取：基于有效回波波形，采用三个标准回波波形与指数衰减函数卷积进行非线性最小二乘拟合获得水体指数衰减系数，水体指数衰减系数乘以水体折射率除以光在真空中速度即为水体漫射衰减系数
。
[0010]作为本专利技术进一步的方案，所述步骤
a
包括如下子步骤：
[0011]a1、
数据获取
[0012]使用国产机载双频海洋激光雷达
Mapper5000
采集获得激光回波波形数据，通过数据下载
、
截取等处理获得测区回波波形数据
。
[0013]作为本专利技术进一步的方案，所述步骤
b
包括如下子步骤：
[0014]b1、
选取不饱和的系统发射波形
[0015]根据系统发射波形强度值，选取强度值最大值小于
850
的波形，作为非线性最小二乘拟合的基础数据
。
[0016]b2、
背景噪声去除
[0017]如图2所示，选取系统发射波形最后
50
个回波点，计算其强度值平均值
P
mean
，在原
波形
P
基础上减去平均值得到去除背景噪声后的系统发射波形
P
：
[0018][0019]P(i)
＝
P(i)
‑
P
mean
[0020]b3、
高斯
‑
卷积函数非线性最小二乘拟合
[0021]由于激光雷达探测器
PMT
存在的拖尾效应，导致接收的标准高斯回波产生右偏，因此采用高斯
‑
指数卷积函数拟合这一过程
。
基于去除噪声后的系统发射波形，采用高斯
‑
指数卷积函数进行非线性最小二乘拟合，获得标准发射波形
P
T
：
[0022]P
T
＝
Aexp[
‑
(t
‑
μ
)2/2
σ2]*exp
‑
kt
[0023]其中
A
是高斯函数强度值，
μ
是高斯函数平均值，
σ
是高斯函数方差，
k
是
PMT
信号衰减系数，
t
是时间
。
[0024]作为本专利技术进一步的方案，所述步骤
c
包括如下子步骤：
[0025]c1、
背景噪声平均值与标准差的计算
[0026]如图2所示，选取系统发射波形最后
50
个回波点，计算其强度值平均值
P
mean
与标准差
P
std
：
[0027][0028][0029]c2、
提取有效回波
[0030]如图3所示，设置背景噪声平均值与标准差三倍之和为阈值，沿波形从左向右搜索，记连续5个回波信号强度值大于阈值为波形起始位置
P
start
；沿波形从右向左搜索，记连续5个回波信号强度值大于阈值为波形终止位置
P
end
。
[0031]作为本专利技术进一步的方案，所述步骤
d
包括如下子步骤：
[0032]d1、
波形分解
[0033]在激光的辐射传输过程中，激光穿过海面和水体，到达海底后被反射后穿过水体和海面被探测器接收，因此接收的激光回波信号可以分解为三部分：海面回波
P
S
、
水体回波
P
W
和海底回波
P
B
。
此过程中激光受海面
、
水体和海底的衰减作用影响，能量呈指数衰减，因此将三部分回波表示为标准发射波形与指数衰减函数卷积，其中
k
S
，
k
W
，
k
B
分别为海面
、
水体
、
海底的指数衰减系数，其中水体指数衰减系数乘以水体折射率除以光在真空中速度即为水体漫射衰减系数
。
拟合波形表示为三部分之和：
[0034][0035][0036][0037]P
＝
P
S
+P
W
+P
B
[0038]d2、
非线性最小二乘拟合
[0039]基于激光雷达回波波形数据，采用
Levenberg Marquardt
方法获取回波波形的最
佳估计
。
[0040]d2.1、
初始值确定
[0041]目前待拟合参数共有
12
个：其中
k
可由系统发射波形拟合得到；
A
S
为海面回波强度值，由激光回波第一个峰值最大值确定，
μ
S
为最大值位置对应时间；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于激光雷达水体回波的水体漫射衰减系数提取方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、
数据获取：利用机载双频海洋蓝绿激光雷达进行数据采集获得激光回波波形数据；
b、
标准发射波形获取：选取不饱和的系统发射波形，用波形减背景噪声平均值进行背景噪声去除，采用高斯
‑
指数卷积函数进行非线性最小二乘拟合；
c、
有效回波波形提取：以背景噪声均值与三倍标准差和为阈值，截取激光回波波形强度值大于此阈值的部分；
d、
水体漫射衰减系数提取：基于有效回波波形，采用三个标准回波波形与指数衰减函数卷积进行非线性最小二乘拟合获得水体指数衰减系数，水体指数衰减系数乘以水体折射率除以光在真空中速度即为水体漫射衰减系数
。2.
根据权利要求1所述的一种基于激光雷达水体回波的水体漫射衰减系数提取方法，其特征在于，所述步骤
a
包括如下子步骤：
a1、
数据获取使用国产机载双频海洋蓝绿激光雷达
Mapper5000
采集获得激光回波波形数据，通过数据下载
、
截取处理获得测区回波波形数据
。3.
根据权利要求1所述的一种基于激光雷达水体回波的水体漫射衰减系数提取方法，其特征在于，所述步骤
b
包括如下子步骤：
b1、
选取不饱和的系统发射波形根据系统发射波形强度值，选取强度值最大值小于
850
的波形，作为非线性最小二乘拟合的基础数据；
b2、
背景噪声去除选取系统发射波形最后
j
个回波点，
j
一般取
50
为宜
。
计算其强度值平均值
P
mean
，在原波形
P
基础上减去平均值得到去除背景噪声后的系统发射波形
P
：
P(i)
＝
P(i)
‑
P
mean
b3、
高斯
‑
卷积函数非线性最小二乘拟合由于激光雷达探测器
PMT
存在的拖尾效应，导致接收的标准高斯回波产生右偏现象，采用高斯
‑
指数卷积函数拟合这一过程，基于去除噪声后的系统发射波形，采用高斯
‑
指数卷积函数进行非线性最小二乘拟合，获得标准发射波形
P
T
：
P
T
＝
Aexp[
‑
(t
‑
μ
)2/2
σ2]*exp
‑
kt
其中
A
是高斯函数强度值，
μ
是高斯函数平均值，
σ
是高斯函数方差，
k
是
PMT
信号衰减系数，
t
是时间
。4.
根据权利要求1所述的一种基于激光雷达水体回波的水体漫射衰减系数提取方法，其特征在于，所述步骤
c
包括如下子步骤：
c1、
背景噪声平均值与标准差的计算选取系统发射波形最后
j
个回波点，
j
一般取
50
为宜
。
计算其强度值平均值
P
mean
与标准差
P
std
：
c2、
提取有效回波设置背景噪声平均值与标准差三倍之和为阈值，沿波形从左向右搜索，记连续5个回波信号强度值大于阈值为波形起始位置
P
start
；沿波形从右向左搜索，记连续5个回波信号强度值大于阈值为波形终止位置
P
end
。5.
根据权利要求1所述的一种基于激光雷达水体回波的水体漫射衰减系数提取方法，其特征在于，所述步骤
d
包括如下子步骤：
d1、
波形分解在激光的辐射传输过程中，激光穿过海面和水体，...

【专利技术属性】
技术研发人员：俞家勇，李姬喆，陶邦一，贺岩，吕德亮，胡善江，罗远，
申请(专利权)人：安徽建筑大学，
类型：发明
国别省市：