具体实施方式

下面将参照附图详细描述根据本发明的实施例，描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同附图标记表示相同或相似的要素。要说明的是，以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表本发明的所有实施方式。它们仅是与如权利要求书中所详述的、本发明公开的一些方面相一致的装置和方法的例子，本发明的范围并不局限于此。在不矛盾的前提下，本发明各个实施例中的特征可以相互组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

激光雷达作为一种能够快速高效且高精度获取三维地形数据的主动遥感技术，已获得了业内的广泛认可。然而在高灵敏度和远距离探测、海洋和大气探测、潮间带水深探测等领域，传统的线性探测体制激光雷达受限于目标反射率较低或系统激光能量和探测器灵敏度较低，导致接收器等效收到的回波信号强度极弱，信噪比达不到系统要求，限制了激光雷达的进一步发展应用。基于光子计数探测体制的单光子激光雷达因其具有低激光脉冲能量、高激光重频输出、极高探测灵敏度等特性，成为新型激光测距技术的研究热点。我国海岸线十分漫长，开展激光测深技术研究对填补我国近海资源测绘具有重要意义。

单光子激光雷达在设计思想和数据处理方法上与传统的全波形激光雷达有较大区别。获取有效信号时，其不再专注于用高能量发射获取高信噪比的波形，而是注重利用有限的资源，充分利用回波信号中的每一个光子。而且通过改进数据处理的方法，在低信噪比的信号中也能做到有效信号的提取。基于单光子探测的激光测深技术已成为未来发展趋势和方向。当单光子激光雷达进行水下地形和水深测量时，当光子经过大气射到水面，并穿透水气界面，水体会对光子产生折射效应，以及光子的传输速度下降。这两种因素的影响将导致水下地形和水深的测量结果产生一定的偏差，降低每个光子的定位和测量精度，因此对其进行有效的校正，是确保和提升水下地形和水深测量的准确性和精度的重要环节之一。

本发明通过滤波算法对水面和水底光子进行高精度识别、分离和提取。利用提取的水面光子信号，进行海浪波建模。利用水底光子信号的空间坐标和光子发射指向角构建空间直线，并计算获取光子与海浪波的空间交点坐标，以及该交点处的波面斜率与法向量。最后基于光子与水气界面交点的空间坐标、波面斜率和法向量，以及水底光子的空间坐标，通过水体折射和光子水下传播路径的空间结构关系，对水下光子的点位和测深误差进行校正。本发明可对二维和三维结构的光子数据进行有效校正，避免由于瞬时海浪波引起的水体折射和水体光子速度变化导致的点位和测深偏移误差问题。

图1所示为单光子激光雷达测深的原理示意图，单光子激光雷达向水体发射激光，分别在大气、气水分界面、水体、水底产生多次后向散射和漫反射，这些散射和反射信号再次历经相反的路径回到探测器。由于水体对激光的衰减较大，水面和陆地回波信号强而水底回波信号弱。单光子探测器能够响应这些或强或弱的光子信号并输出数字脉冲，时间测量电路可以测量这些脉冲与激光主波的时间间隔，从而得到光子事件对应的距离信息。空气和水体的后向散射、日光及探测器本身的暗计数和死时间等因素会影响对目标的识别，但单光子激光雷达探测体制是基于对所有光子事件进行累计，得到图1中右侧所示的直方图后，再根据概率统计和距离相关算法来提取水面和水底信息，从而实现低信噪比工况下对水深的测量。因此基于单光子激光雷达的测量技术的数据处理方法与传统的激光雷达截然不同。

图2所示为根据本发明实施例的单光子激光雷达水下光子位移校正方法的流程示意图，包括步骤S1至S5。

在步骤S1中，获取单光子激光雷达发射光子的指向角、所述单光子激光雷达发射光子返回的水面光子信号和水底光子信号的坐标。图3所示为根据本发明实施例的获取的水面光子信号和水底光子信号的示意图，在本发明实施例中，获取单光子激光雷达发射激光信号的返回光子信号，通过各种滤波和相关算法可将有效光子信号从噪声光子中识别分离，从而获取一系列的有效光子信号，并提取出其中的水面光子信号和水底光子信号。在本发明实施例中，光子的指向角和水底光子信号的坐标可根据单光子激光雷达所获取和记录的数据获得。

在步骤S2中，根据所述水面光子信号进行海浪波拟合，确定海浪波模型。在本发明实施例中，根据提取出的大量水面光子信号进行海浪波拟合。在拟合过程中，可用采用分段多项式和海浪几何模型，分段多项式和海浪几何模型的二维模型分别表示为公式(1)和(2)，其对应三维模型分别表示为公式(3)和(4)，如下所示：

其中，a_i、b_i、c_i、d_i、e_i、f_i、g_i、h_i、k_i、l_i分别表示多项式系数，A_i、ω_i、φ_i、g分别表示海浪几何模型中各波形的振幅、角速度、方向角、初始相位和重力加速度，H₀表示WGS84地理坐标系中海平面为负值而产生的恒定偏移量。在本发明实施例中，在拟合过程中可采用基于最小二乘法的LM(Levenberg-Marqyardt)算法进行瞬时海浪波参数优化，获得准确的海浪波模型。

在步骤S3中，根据任意一个水底光子的坐标、所述指向角和所述海浪波模型，确定所述光子与水气界面的交点。图4所示为根据本发明实施例的确定光子与水气界面的交点的流程示意图，包括步骤S31至S32。

在步骤S31中，根据所述坐标与所述指向角，构建一条空间直线。图5所示为根据本发明实施例的光子坐标和指向角的空间示意图。在本发明实施例中，基于单光子激光雷达自身测量原理和特性可以获取每个光子的三维坐标，通过将星载三维数据投影到卫星沿轨和垂轨方向上的二维平面上，因此可将三维坐标(x，y，z)转换为二维坐标(x，z)和(y，z)，例如水底光子q的坐标(x_Q，z_Q)，其中，x表示卫星沿轨飞行方向，z表示垂直高程方向，y是垂轨方向。θ_x和θ_y是光子发射指向角θ在x、y方向上对应的两个分量。在本发明实施例中以平面∠zox为例，根据水底光子的坐标(x_q，z_q)和其指向角θ_x，可构建一条空间直线如公式(5)所示：

其中，k₁和k₂表示根据水底光子坐标和指向角θ_x计算获取的直线参数。

在步骤S32中，确定所述空间直线与所述海浪波模型的交点为所述光子与水气界面的交点。在本发明实施例中，构建上述空间直线后，相交于海浪波模型，则将其交点确定为该光子与水气界面的交点p。根据上述构建的空间直线公式(5)联合海浪波模型(以分段多项式为例)公式(1)，可通过迭代解算法计算出所述交点p的坐标(x_p，z_p)。

在步骤S4中，根据所述交点、所述海浪波模型和所述指向角确定所述光子的水下位移误差。图6所示为根据本发明实施例的确定光子水下位移的流程示意图，包括步骤S41至S42。

在步骤S41中，根据所述交点和所述海浪波模型，确定所述光子在沿轨方向上的海浪面斜率。在本发明实施例中，根据上述确定的交点p和海浪波模型，可计算出该光子在沿轨方向x上的海浪面斜率如下公式(6)所示：

其中，a_i、b_i、c_i分别表示上述海浪波模型的多项式系数，在本发明实施例中，公式(6)为通过对公式(1)求一阶导数确定。

在步骤S42中，根据所述海浪面斜率和所述指向角θ_x确定所述水下位移误差。图7所示为根据本发明实施例的根据海浪面斜率和指向角确定水下位移误差的流程示意图，包括步骤S421至S422。

在步骤S421中，根据所述海浪面斜率和所述指向角确定所述光子的入射角和折射角。在本发明实施例中，基于空间结构可获取光子入射角α，然后根据snell定律获取折射角β。在本发明实施例中，基于海浪波与水气界面交点p的空间位置不同，以及海浪面斜率和指向角θ_x的关系，将其分为两种情况，一种是的情况，另一种是的情况。图8所示为根据本发明实施例的确定位移误差的空间结构示意图一，图9所示为根据本发明实施例的确定位移误差的空间结构示意图二，其中，图8所示为海浪面斜率时的情况，图9所示为海浪面斜率时的情况。

在本发明实施例中，根据海浪面斜率可确定光子与水气界面交点p的法向量N，如下公式(7)所示：

根据空间结构关系，可分别根据公式(8)和(9)确定入射角α：

其中，表示海浪面斜率角。在本发明实施例中，基于空间结构可获取光子入射角α后，可根据snell定律获取折射角β，分别如下公式(10)和(11)所示：

其中，表示水体折射率。在本发明实施例中，由于在单光子激光雷达测量过程中，无法将某个光子在大气和水体中的整体传输时间分离开，但光子在水体中的传输时间是一定的，即传输时间不因水体折射和速度变化而改变。因此，根据snell定律，水体折射率n_w可根据如下公式(12)确定：

其中，C_a和C_w分别为光子在空气和水体中的传输速度，t表示光子在水体中的传输时间。

在步骤S422中，根据所述折射角、所述海浪面斜率和所述指向角确定所述水下位移误差。图10所示为根据本发明实施例的根据折射角、海浪面斜率和指向角确定水下位移误差的流程示意图，包括步骤S4221至S4222。

在步骤S4221中，确定所述单光子激光雷达发射光子的原始入射光子路径与水体折射后的光子路径。在本发明实施例中，根据所述水底光子的坐标和所述交点的坐标确定所述原始入射光子路径，然后基于折射公式根据所述原始入射光子路径确定所述水体折射后的光子路径。

在本发明实施例中，根据上述确定的水底光子的坐标(x_q，z_q)和交点p的坐标(x_p，z_p)可通过距离公式分别计算得到原始入射光子路径L在平面∠zox上的分量L_x、水体折射后的光子路径R在平面∠zox的分量为R_x(如图8和图9所示)。由于水体折射后的光子路径R与原始入射光子路径L满足折射公式，由此可根据原始入射光子路径L和水体折射率n_w确定水体折射后的光子路径R，如下公式(13)所示：

在步骤S4222中，根据所述原始入射光子路径、所述水体折射后的光子路径、所述折射角、所述海浪面斜率和所述指向角的空间结构关系确定所述水下位移误差。在本发明实施例中，当时，如图8所示，依据原始入射光子的光子路径L_x与水体折射后的光子路径R_x之间的关系，构建光子在不同方向上的位移误差模型，以确定光子在不同方向上的位移误差Δ_x和Δ_z，如下公式(14)所示：

其中，Δ_x表示在沿轨方向上的位置偏移误差，Δ_z表示在高程z方向上的水深误差，即光子q在水深校正前D_L和校正后D_R的差值。

在本发明实施例中，当时，如图9所示，光子与水气界面的交点p的法向量N的方向与时不同，因此需要根据公式(9)重新基于空间结构获取光子的入射角α，然后根据公式(11)获取折射角β，最后依据原始入射光子的光子路径L_x与水体折射后的光子路径R_x之间的关系，构建光子在不同方向上的位移误差模型，以确定光子在不同方向上的水下位移误差Δ_x和Δ_z。在本发明实施例中，当时，又存在两种情况，即和则计算光子在不同方向上的水下位移误差Δ_x和Δ_z如下公式(15)所示：

在本发明实施例中，单光子激光雷达(光子计数雷达)进行水深测量时，激光光子在水气界面处产生水体折射，以及光子在水体中的传播速度发生变化导致水下地形测量产生误差。与传统的全波形激光雷达不同，单光子激光雷达是一种新型的基于泊松分布理论的光子事件统计形式的测量技术与方法，该种方法具有比传统的激光雷达更高的测量精度。但单光子激光雷达无法像传统激光雷达那样，获取光子与水气界面交点的坐标值，因此对光子折射与速度变化的校正方法与传统雷达具有显著区别。

可以理解的是，本发明实施例的校正方法也适用于三维空间。在三维空间结构中，确定光子的位移和水深误差如下公式(16)所示：

其中，(θ_x，θ_y)、(β_x，β_y)分别表示光子指向角、海浪面斜率角和折射角分别在平面∠zox和平面∠zoy上的投影分量。

在步骤S5中，根据所述位移误差对所述水底光子信号进行校正。在本发明实施例中，将水底光子的坐标分别加上Δ_x和Δ_z，完成对由于水体折射和光子速度变化导致位移误差的水底光子信号的校正。

图11所示为根据本发明实施例的校正结果的示意图。如图11所示，处于z轴0刻度区域的水平曲线表示提取的水面有效光子信号，以及用这些光子拟合出来的海浪波曲线(由于数据长度在2公里左右，因此由于显示尺度问题，曲线看似曲折，实际上将局部放大后可发现海浪波曲线比较平滑)，水下没有拟合曲线的区域是提取的原始水底地形光子信号。水下拟合曲线覆盖的区域光子是经过本发明实施例的校正方法校正后的所有水底地形光子，对应的曲线为用校正后光子拟合的水下地形曲线。经过本发明实施例的校正方法进行校正后，对每个原始光子坐标位置进行了校正补偿，使其位置表示更加准确。

采用本发明实施例的单光子激光雷达水下光子位移校正方法，通过滤波算法对水面和水底光子进行高精度识别、分离和提取，并利用提取的水面光子信号进行海浪波建模。利用水底光子信号的空间坐标和光子发射指向角构建空间直线，并计算获取光子与水气界面交点坐标，以及该交点处的海浪面斜率。最后基于光子与水气界面交点的空间坐标、海浪面斜率、水底光子的空间坐标和指向角，通过水体折射和光子水下传播路径的空间结构关系，确定水下光子的点位偏移和深度误差，并进行校正。本发明可以有效地对二维和三维结构的光子数据进行校正，避免瞬时海浪波引起的水体折射和水体光子速度变化导致的点位和测深偏移误差问题，提高数据的准确性。

本发明第二方面的实施例还提供了一种单光子激光雷达水下光子位移校正装置。图12所示为根据本发明实施例的单光子激光雷达水下光子位移校正装置1200的结构示意图，包括获取模块1201、处理模块1202以及校正模块1203。

获取模块1201用于获取单光子激光雷达发射光子的指向角、所述单光子激光雷达发射光子返回的水面光子信号和水底光子信号的坐标。

处理模块1202用于根据所述水面光子信号进行海浪波拟合，确定海浪波模型；还用于根据任意一个水底光子的坐标、所述指向角和所述海浪波模型，确定所述光子与水气界面的交点；还用于根据所述交点、所述海浪波模型和所述指向角确定所述光子的水下位移误差。

校正模块1203用于所述水下位移误差对所述水底光子信号的坐标进行校正。

在本发明实施例中，处理模块1202还用于根据所述坐标与所述指向角，构建一条空间直线；还用于确定所述空间直线与所述海浪波模型的交点为所述光子与水气界面的交点。

在本发明实施例中，处理模块1202还用于根据所述交点和所述海浪波模型，确定所述光子在沿轨方向上的海浪面斜率；还用根据所述海浪面斜率和所述指向角确定所述水下位移误差。

所述单光子激光雷达水下光子位移校正装置1200的各个模块的更具体实现方式可以参见对于本发明的单光子激光雷达水下光子位移校正方法的描述，且具有与之相似的有益效果，在此不再赘述。

本发明第三方面的实施例提出了一种单光子激光雷达测深方法。图13所示为根据本发明实施例的单光子激光雷达测深方法的流程示意图，包括步骤S131至S133。

在步骤S131中，获取水底光子信号的坐标。

在步骤S132中，采用如上所述的单光子激光雷达水下光子位移校正方法对所述水底光子信号的坐标进行校正。

在步骤S133中，根据经校正的水底光子信号的坐标确定待测区域深度。可以理解的是，在本发明实施例中，可采用现有的算法对校正后的水底光子信号的坐标进行处理，确定待测区域的深度。

采用本发明实施例的单光子激光雷达测深方法，通过基于上述单光子激光雷达水下光子位移校正方法对获取的水底光子坐标进行校正，可提高水底光子坐标的准确性，从而有效提高对待测区域深度测量的准确度。

本发明第四方面的实施例提出了一种单光子激光雷达测深装置。图14所示为根据本发明实施例的单光子激光雷达测深装置1400的结构示意图，包括信号获取模块1401、信号处理模块1402以及测深模块1403。

信号获取模块1401用于获取水底光子信号。

信号处理模块1402用于采用如上所述的单光子激光雷达水下光子位移校正方法对所述水底光子信号的坐标进行校正。

测深模块1403用于根据经校正的水底光子信号的坐标确定待测区域深度。

所述单光子激光雷达测深装置1400的各个模块的更具体实现方式可以参见对于本发明的单光子激光雷达测深方法的描述，且具有与之相似的有益效果，在此不再赘述。

本发明第五方面的实施例提出了一种非临时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时，实现根据本发明第一方面所述的单光子激光雷达水下光子位移校正方法或实现根据本发明第三方面所述的单光子激光雷达测深方法。

一般来说，用于实现本发明方法的计算机指令的可以采用一个或多个计算机可读的存储介质的任意组合来承载。非临时性计算机可读存储介质可以包括任何计算机可读介质，除了临时性地传播中的信号本身。

计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本文件中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。

可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本发明操作的计算机程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言，特别是可以使用适于神经网络计算的Python语言和基于TensorFlow、PyTorch等平台框架。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。

本发明第六方面的实施例提供了一种计算设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时，实现根据本发明第一方面所述的单光子激光雷达水下光子位移校正方法或实现根据本发明第三方面所述的单光子激光雷达测深方法。

根据本发明第五、六方面的非临时性计算机可读存储介质和计算设备，可以参照根据本发明第一方面实施例或第三方面实施例具体描述的内容实现，并具有与根据本发明第一方面实施例的单光子激光雷达水下光子位移校正方法或第三方面实施例的单光子激光雷达测深方法具有类似的有益效果，在此不再赘述。

图15示出了适于用来实现本公开的实施方式的示例性计算设备的框图。图15显示的计算设备12仅仅是一个示例，不应对本公开实施例的功能和使用范围带来任何限制。

如图15所示，计算设备12可以通用计算设备的形式实现。计算设备12的组件可以包括但不限于：一个或者多个处理器或者处理单元16，系统存储器28，连接不同系统组件(包括系统存储器28和处理单元16)的总线18。

总线18表示几类总线结构中的一种或多种，包括存储器总线或者存储器控制器，外围总线，图形加速端口，处理器或者使用多种总线结构中的任意总线结构的局域总线。举例来说，这些体系结构包括但不限于工业标准体系结构(Industry StandardArchitecture；以下简称：ISA)总线，微通道体系结构(Micro Channel Architecture；以下简称：MAC)总线，增强型ISA总线、视频电子标准协会(Video Electronics StandardsAssociation；以下简称：VESA)局域总线以及外围组件互连(Peripheral ComponentInterconnection；以下简称：PCI)总线。

计算设备12典型地包括多种计算机系统可读介质。这些介质可以是任何能够被计算设备12访问的可用介质，包括易失性和非易失性介质，可移动的和不可移动的介质。

存储器28可以包括易失性存储器形式的计算机系统可读介质，例如随机存取存储器(Random Access Memory；以下简称：RAM)30和/或高速缓存存储器32。计算设备12可以进一步包括其它可移动/不可移动的、易失性/非易失性的计算机可读存储介质。仅作为举例，存储系统34可以用于读写不可移动的、非易失性磁介质(图中未显示，通常称为“硬盘驱动器”)。尽管图15中未示出，可以提供用于对可移动非易失性磁盘(例如“软盘”)读写的磁盘驱动器，以及对可移动非易失性光盘(例如：光盘只读存储器(Compact Disc Read OnlyMemory；以下简称：CD-ROM)、数字多功能只读光盘(Digital Video Disc Read OnlyMemory；以下简称：DVD-ROM)或者其它光介质)读写的光盘驱动器。在这些情况下，每个驱动器可以通过一个或者多个数据介质接口与总线18相连。存储器28可以包括至少一个程序产品，该程序产品具有一组(例如至少一个)程序模块，这些程序模块被配置以执行本公开各实施例的功能。

具有一组(至少一个)程序模块42的程序/实用工具40，可以存储在例如存储器28中，这样的程序模块42包括但不限于操作系统、一个或者多个应用程序、其它程序模块以及程序数据，这些示例中的每一个或某种组合中可能包括网络环境的实现。程序模块42通常执行本公开所描述的实施例中的功能和/或方法。

计算设备12也可以与一个或多个外部设备14(例如键盘、指向设备、显示器24等)通信，还可与一个或者多个使得用户能与该计算设备12交互的设备通信，和/或与使得该计算设备12能与一个或多个其它计算设备进行通信的任何设备(例如网卡，调制解调器等等)通信。这种通信可以通过输入/输出(I/O)接口22进行。并且，计算设备12还可以通过网络适配器20与一个或者多个网络(例如局域网(Local Area Network；以下简称：LAN)，广域网(Wide Area Network；以下简称：WAN)和/或公共网络，例如因特网)通信。如图所示，网络适配器20通过总线18与计算设备12的其它模块通信。要说明的是，尽管图中未示出，可以结合计算设备12使用其它硬件和/或软件模块，包括但不限于：微代码、设备驱动器、冗余处理单元、外部磁盘驱动阵列、RAID系统、磁带驱动器以及数据备份存储系统等。

处理单元16通过运行存储在系统存储器28中的程序，从而执行各种功能应用以及数据处理，例如实现前述实施例中提及的方法。

本发明的计算设备可以是服务器，也可以有限算力的终端设备。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，应当理解的是，上述实施例是示例性的，不能解释为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。