申请/专利权人：安徽建筑大学

申请日：2023-09-07

公开（公告）日：2024-03-29

公开（公告）号：CN117194876B

主分类号：G06F17/18

分类号：G06F17/18;G06F17/15;G06F18/10;G01S17/88;G01S7/48

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.03.29#授权;2023.12.26#实质审查的生效;2023.12.08#公开

摘要：本发明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：1.利用国产机载双频海洋蓝绿激光雷达Mapper5000进行数据采集获得激光回波波形数据；2.选取不饱和的系统发射波形，利用高斯‑指数卷积函数进行非线性最小二乘拟合去除背景噪声影响，作为标准发射波形；3.选取激光回波波形，利用背景噪声的均值和标准差对波形进行截取，选取有效回波部分；4.将有效回波分为海面‑水体‑海底三个部分，将有效回波分解为三个标准发射函数与指数衰减函数卷积和，进行非线性最小二乘拟合获得最佳拟合结果，选取水体指数衰减系数乘以水体折射率，再除以光在真空中速度，至此完成水体漫射衰减系数提取。

主权项：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；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取50，计算其强度值平均值Pmean，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 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PT：PT＝Aexp[-t-μ22σ2]*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；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，到达海底后被反射后穿过水体和海面被探测器接收，接收的激光回波信号分解为三部分：海面回波PS、水体回波PW和海底回波PB，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，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kS，kW，kB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： d2、非线性最小二乘拟合基于激光雷达回波波形数据，采用LevenbergMarquardt方法获取回波波形的最佳估计；d2.1、初始值确定目前待拟合参数共有12个：其中k由系统发射波形拟合得到；AS为海面回波强度值，由激光回波第一个峰值最大值确定，μS为最大值位置对应时间；AW为水体回波强度值，其初始值与海面回波强度值相同，μW初始值与μS相同；AB为海底回波强度值，由激光第二个峰值最大值确定，μB为其对应时间，σS，σW，σB均设置为与标准发射波形标准差σ相同，kS，kW，kB均设置初始值为0.05s·m-1，对应Kd为0.22m-1；d2.2、参数拟合上下限海面、水体、海底回波强度值下限均设置为0，上限均设置为对应最大值；μS上下限设置为μS±10s，μW、μB的上下限设置为±30s；σS的上下限设置为0～σ+2s，时间展宽影像σW，σB设置上下限为0～σ+4s；海面与海底反射的绝大部分光子在接收视场角之外，kS、kW上下限均设置为0～2s·m-1，kB上下限设置为0～0.225s·m-1，对应Kd为0～1.00m-1；d3、终止迭代条件当迭代步长N大于设置的最大迭代步长Nmax或相邻两次迭代误差δ之差小于1e-6，则认为已获得激光回波波形最好估计，迭代误差定义为原始波形与拟合波形之差，表达式如下：

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百度查询： 安徽建筑大学 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

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