一种多通道激光雷达极浅水测深数据处理方法
阅读说明：本技术 一种多通道激光雷达极浅水测深数据处理方法 (Multichannel laser radar ultra-shallow water sounding data processing method ) 是由 梁琨 徐杨睿 郑永超 杨颂 于 2020-11-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种多通道激光雷达极浅水测深数据处理方法,属于激光雷达水下测绘领域,包括：获取多通道激光雷达的浅水通道无回波波形数据的均值和方差,分别作为均值参考值和方差参考值；将浅水通道的回波波形数据减去均值参考值后,提取出持续Tns(T>0)大于方差参考值的数据作为有效回波数据；对有效回波数据进行高斯拟合,得到第一拟合曲线,以根据第一拟合曲线确定海底回波相对时间T-1；对有效回波数据与第一拟合曲线的差值进行高斯拟合,得到第二拟合曲线,以根据第二拟合曲线确定海表回波相对时间T-2；按照H＝v*(T-2-T-1)计算极浅水域的水深H。本发明能够利用多通道激光雷达测深数据准确计算极浅水域的实际水深,并效减少提高计算速度。(The invention discloses a multichannel laser radar ultra-shallow water depth measurement data processing method, which belongs to the field of laser radar underwater surveying and mapping and comprises the following steps: acquiring the mean value and the variance of the shallow water channel echo-free waveform data of the multi-channel laser radar, and respectively taking the mean value and the variance as a mean value reference value and a variance reference value; subtracting the mean value reference value from the echo waveform data of the shallow water channel to extract the continuous Tns (T)>0) Data larger than the variance reference value is used as effective echo data; performing Gaussian fitting on the effective echo data to obtain a first fitting curve so as to determine the relative time T of the sea bottom echo according to the first fitting curve 1 (ii) a Performing Gaussian fitting on the difference value of the effective echo data and the first fitting curve to obtain a second fitting curve so as to determine the sea chart echo relative time T according to the second fitting curve 2 (ii) a According to H ═ v [ (T) ] 2 ‑T 1 ) And calculating the water depth H of the ultra-shallow water area. The invention can utilize the multi-channel laser radar depth measurement data standardThe actual water depth of the ultra-shallow water area is calculated, and the calculation speed is effectively reduced and improved.)
技术领域
本发明属于激光雷达水下测绘领域，更具体地，涉及一种多通道激光雷达极浅水测深数据处理方法。
背景技术
激光雷达具有能量强、方向性好、波长短以及分辨率高的特点，在海洋地形测绘应用领域，特别是近海岸带和海岛礁附近的浅水区域测深中发挥了重要作用。
由于海水对激光能量的衰减很强，激光雷达接收的水下回波信号的动态范围非常大，在实现对深水微弱信号检测的同时，其海表以及浅水回波信号非常容易造成探测器的饱和。为此实际激光雷达测深系统中为了扩大探测动态范围，测深回波采用浅水视场和深水视场两个通道进行分视场同时探测。多通道测距激光雷达在测量实际水深在极浅水域时，由于距离近、能量强，深水视场即深水通道会直接饱和，不具备实际意义；而浅水视场即浅水通道由于海表与海底距离较近，导致海底和海表回波会发生混叠，不能直接分离得到海表与海底位置来计算深度。
为了利用多通道激光雷达测深数据计算极浅水域的深度，上海精密光学研究所提出了RLD去卷积(查德森－露西去卷积)回波分离方法，该方法可在时间域内得到一个逼近极大似然解的结果，派生于贝叶斯定理。运用RLD时，对1×N的一维信号进行n次迭代，获得去卷积结果。该方法能够计算极浅水域的实际水深，但是，在迭代过程中耗时较长，无法适用于具有较高实时性要求的应用。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种多通道激光雷达极浅水测深数据处理方法，其目的在于，利用多通道激光雷达的测深数据计算极浅水域的实际水深，同时有效提高计算速度。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种多通道激光雷达极浅水域测深数据处理方法，用于计算极浅水域的水深；方法包括：
获取多通道激光雷达的浅水通道无回波波形数据的均值和方差，分别作为均值参考值和方差参考值；
将浅水通道的回波波形数据减去均值参考值后，提取出持续Tns大于方差参考值的数据作为有效回波数据；T>0；
对有效回波数据进行高斯拟合，得到第一拟合曲线，以根据第一拟合曲线确定海底回波相对时间T1；
对有效回波数据与第一拟合曲线的差值进行高斯拟合，得到第二拟合曲线，以根据第二拟合曲线确定海表回波相对时间T2；
按照H＝v*(T2-T1)计算极浅水域的水深；
其中，v为激光在水中的传播速度，H为极浅水域的水深；第一拟合曲线和第二拟合曲线反映了激光反射信号强度随相对位置变化的关系。
本发明首先获取浅水通道无回波波形数据的均值和方差作为参考值，由于浅水通道无回波波形数据不包含水体反射信息，因此，本发明获得的参考值反映了系统噪声；本发明基于参考值从浅水通道中提取有效回波数据，并基于有效回波数据的高斯拟合结果确定海底回波相对时间，由此能够避免系统噪声对拟合结果的影响，保证所确定的海底回波相对时间的准确性；本发明基于有效回波数据与其高斯拟合结果的差值确定海表回波相对时间，由于该差值仅包含海表回波信息，因此，本发明能够准确获取海表回波相对时间；由于本发明通过拟合的方式，从多通道激光雷达的测深数据中准确获取了海底回波相对时间和海表回波相对时间，因此，本发明能够准确计算极浅水域的实际水深，并且仅通过简单的拟合即可完相关计算，有效减少了计算时间，提高了计算速度。
进一步地，5≤T≤20。
本发明将多通道激光雷达的浅水通道回波波形数据减去均值后，提取持续5～20ns大于方差参考值的数据，能够避免因该时间间隔设置过短而导致所提取的数据中所包含的有效信息太少，影响计算准确度，同时能够避免因该时间间隔设置过长而导致丢失有效信息和计算量增大，影响计算准确度和计算速度。
进一步地，T＝7。
本发明将多通道激光雷达的浅水通道回波波形数据减去均值后，提取持续7ns大于方差参考值的数据，既可以保留水体反射信号又可以尽可能多的去除噪声数据。
进一步地，对有效回波数据进行高斯拟合的拟合区间为有效回波数据最大值前T3ns至有效回波数据末尾处的数据；
其中，0<T3≤10。
研究表明，海底反射峰值在回波信号最大值附近；有效回波数据由海底反射回波和海表反射回波叠加而成，有效回波数据峰值前10ns对应理论水深为1.0米，为降低海表反射回波峰值对海底回波拟合的影响，只取海底反射峰值前10ns数据即可，其后的数据不存在其他因素干扰，可以采用，因此，本发明利用有效回波数据最大值前T3ns(0<T3≤10)至有效回波数据末尾处的数据构成拟合区间，保证了海底回波相对时间的准确性。
进一步地，T3＝10。
进一步地，根据第一拟合曲线确定海底回波相对时间T1，包括：
将第一拟合曲线的峰值点所对应的相对位置确定为海底回波相对位置，将海底回波相对位置对应的时间确定为海底回波相对时间T1。
反射回波中，强度最大点为反射面所在处；本发明以有效回波数据进行高斯拟合得到第一拟合曲线的峰值点所对应的相对位置确定为海底回波相对位置，并以海底回波相对位置所对应的时间确定为海底回波相对时间，保证了计算结果的准确性。
进一步地，对有效回波数据与第一拟合曲线的差值进行高斯拟合，其拟合区间为差值的起始位置处至第一拟合曲线峰值点对应位置处的数据。
本发明中，有效回波数据由海底反射回波与海表反射回波叠加而成，对有效回波数据进行高斯拟合得到的第一拟合曲线中剔除了海表反射回波的影响，因此，有效回波数据与第一拟合曲线的差值反映了海表反射回波的信息，在此基础之上，本发明仅以差值起始位置至第一拟合曲线峰值点对应位置处的数据构成拟合区间，在准确拟合海表反射回波的同时能够有效提高拟合速度。
进一步地，根据第二拟合曲线确定海表回波相对时间T2，包括：
将第二拟合曲线的峰值点所对应的相对位置确定为海表回波相对位置，将海表回波相对位置对应的时间确定为海表回波相对时间T2。
反射回波中，强度最大点为反射面所在处；本发明以第二拟合曲线的峰值点所对应的相对位置确定为海表回波相对位置，并以海表回波相对位置所对应的时间确定为海表回波相对时间，保证了计算结果的准确性。
进一步地，多通道激光雷达的浅水通道无回波波形数据，为浅水通道的回波波形数据开头或末尾的一部分数据；
或者，多通道激光雷达的浅水通道无回波波形数据，为利用探测器接收到的不入水的波形数据。
多通道激光雷达的浅水通道回波波形数据中，开头一部分数据是激光入水前的数据，是在空气中的数据，不含水体反射回来的信息，可视为系统噪声；多通道激光雷达的浅水通道回波波形数据中，末尾一部分数据，由于探测器打开时间较长，水体信号已被全部接收，也不再包含水体反射信息，可视为系统噪声；因此，本发明通过上述方式获取多通道激光雷达的浅水通道无回波波形数据，能够准确获取系统噪声。
按照本发明的另一个方面，提供了一种计算机可读存储介质，包括存储的计算机程序；
计算机程序被处理器执行时，控制计算机可读存储介质所在设备执行本发明提供的多通道激光雷达极浅水测深数据处理方法。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)本发明通过拟合的方式，从多通道激光雷达的测深数据中准确获取了海底回波相对时间和海表回波相对时间，因此，本发明能够准确计算极浅水域的实际水深，并且仅通过简单的拟合即可完相关计算，有效减少了计算时间，提高了计算速度。实验表明，在水深在2米以内的极浅水域，本本发明在保证水深计算精度的同时，其计算速度相较于现有的RLD去卷积回波分离方法有了显著的提高。
(2)本发明通过对高斯拟合的拟合区间进行特殊设定，进一步保证了计算准确性，并进一步提高了计算速度。
附图说明
图1为本发明实施例提供的多通道激光雷达测深数据处理方法流程图；
图2为本发明实施例提供的海底回波高斯拟合示意图；
图3为本发明实施例提供的海表回波高斯拟合示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
针对现有的从多通道激光雷达极浅水测深数据中提取深度信息的方法计算时间长，无法满足实时性要求的技术问题，本发明提供了一种多通道激光雷达极浅水测深数据处理方法，其整体思路在于：通过拟合的方法，分别从多通道激光雷达浅水通道回波数据中提取海底回波相对时间和海表回波相对时间，从而利用二者之差与激光在水中传播的速度计算极浅水域的实际水深，在保证计算精度的基础上避免复杂计算，以大大提高计算速度。以下为实施例。
实施例1：
一种多通道激光雷达极浅水测深数据处理方法，用于计算极浅水域的水深；如图1所示，该方法包括以下步骤：
系统噪声获取步骤：
获取多通道激光雷达的浅水通道无回波波形数据的均值和方差，分别作为均值参考值和方差参考值；
由于浅水通道无回波波形数据不包含水体反射信息，该参考值反映了系统噪声；
有效数据提取步骤：
将浅水通道的回波波形数据减去均值参考值后，提取出持续Tns大于方差参考值的数据作为有效回波数据；T>0；
浅水通道的回波波形数据包含了系统噪声以及海底反射信号、海表反射信号和水体衰减信号，极浅水回波信号中有效回波信号由海底反射回波和海表反射回波叠加而成；
本发明中，T取值设置为5≤T≤20，由此能够在提取有效回波数据的过程中，避免因该时间间隔设置过短而导致所提取的数据中所包含的有效信息太少，影响计算准确度，同时能够避免因该时间间隔设置过长而导致丢失有效信息和计算量增大，影响计算准确度和计算速度；
作为一种优选的实施方式，本实施例中，T＝7，实验表明，将多通道激光雷达的浅水通道回波波形数据减去均值后，提取持续7ns大于方差参考值的数据，既可以保留水体反射信号又可以尽可能多的去除噪声数据；
海底回波拟合步骤：
对有效回波数据进行高斯拟合，得到第一拟合曲线，以根据第一拟合曲线确定海底回波相对时间T1；第一拟合曲线反映了激光反射信号强度随相对位置变化的关系，本实施例中，有效回波数据、第一拟合曲线以及二者之间的差值，如图2所示；
由于激光反射波形为高斯线型，因此，本实施例对有效回波数据进行高斯拟合，以确定海底回波相对时间T1；
由于有效回波数据由海底反射回波和海表反射回波叠加而成，为了避免海表反射回波对海底回波拟合造成影响，本实施例中，对有效回波数据进行高斯拟合的拟合区间为有效回波数据最大值前T3ns至有效回波数据末尾处的数据；
研究表明，海底反射峰值在回波信号最大值附近；有效回波数据峰值前10ns对应理论水深为1.0米，为降低海表反射回波峰值对海底回波拟合的影响，只取海底反射峰值前10ns数据即可，其后的数据不存在其他因素干扰，可以采用，因此，本实施例利用有效回波数据最大值前T3ns(0<T3≤10)至有效回波数据末尾处的数据构成拟合区间，即可保证海底回波相对时间的准确性；作为一种可选的实施方式，本实施例中，T3＝10；
作为一种可选的实施方式，本实施例中，根据第一拟合曲线确定海底回波相对时间T1，包括：
将第一拟合曲线的峰值点所对应的相对位置确定为海底回波相对位置，将海底回波相对位置对应的时间确定为海底回波相对时间T1，如图2所示；
反射回波中，强度最大点为反射面所在处；本实施例以有效回波数据进行高斯拟合得到第一拟合曲线的峰值点所对应的相对位置确定为海底回波相对位置，并以海底回波相对位置所对应的时间确定为海底回波相对时间，保证了计算结果的准确性；
海表回波拟合步骤：
对有效回波数据与第一拟合曲线的差值进行高斯拟合，得到第二拟合曲线，以根据第二拟合曲线确定海表回波相对时间T2；第二拟合曲线反映了激光反射信号强度随相对位置变化的关系，本实施例中，有效回波数据与第一拟合曲线的差值，以及第二拟合曲线如图3所示；
作为一种优选的实施方式，对有效回波数据与第一拟合曲线的差值进行高斯拟合，其拟合区间为差值的起始位置处至第一拟合曲线峰值点对应位置处的数据；
本实施例中，有效回波数据由海底反射回波与海表反射回波叠加而成，第一拟合曲线中剔除了海表反射回波的影响，因此，有效回波数据与第一拟合曲线的差值反映了海表反射回波的信息，在此基础之上，本实施例仅以差值起始位置至第一拟合曲线峰值点对应位置处的数据构成拟合区间，在准确拟合海表反射回波的同时能够有效提高拟合速度；应当说明的是，此处关于第二拟合曲线的拟合区间设置，仅为本发明一种优选的设置方式，在本发明其他的一些实施例中，该拟合区间也可扩大至第一拟合曲线峰值点之后；
作为一种可选的实施方式，本实施例中，根据第二拟合曲线确定海表回波相对时间T2，包括：
将第二拟合曲线的峰值点所对应的相对位置确定为海表回波相对位置，将海表回波相对位置对应的时间确定为海表回波相对时间T2，如图3所示；
同样地，反射回波中，强度最大点为反射面所在处；本发明以第二拟合曲线的峰值点所对应的相对位置确定为海表回波相对位置，并以海表回波相对位置所对应的时间确定为海表回波相对时间，保证了计算结果的准确性；
水深计算步骤：
按照H＝v*(T2-T1)计算极浅水域的水深；
其中，v为激光在水中的传播速度，激光在水中的传播速度因水的折射率不同而略有差异，通常情况下，该传播速度约为0.1米/纳秒，在实际应用中，根据具体的极浅水域中水的折射率进行相应测算即可；H为极浅水域的水深。
总体而言，由于本实施例通过拟合的方式，从多通道激光雷达的测深数据中准确获取了海底回波相对时间和海表回波相对时间，因此，本实施例能够准确计算极浅水域的实际水深，并且仅通过简单的拟合即可完相关计算，有效减少了计算时间，提高了计算速度。
作为一种可选的实施方式，本实施例中，可以采用以下任意一种数据作为多通道激光雷达的浅水通道无回波波形数据：
为浅水通道的回波波形数据开头或末尾的一部分数据，或者利用探测器接收到的不入水的波形数据。
多通道激光雷达的浅水通道回波波形数据中，开头一部分数据是激光入水前的数据，是在空气中的数据，不含水体反射回来的信息，可视为系统噪声；多通道激光雷达的浅水通道回波波形数据中，末尾一部分数据，由于探测器打开时间较长，水体信号已被全部接收，也不再包含水体反射信息，可视为系统噪声；因此，本实施例通过上述方式获取多通道激光雷达的浅水通道无回波波形数据，能够准确获取系统噪声。
实施例2：
一种计算机可读存储介质，包括存储的计算机程序；
计算机程序被处理器执行时，控制计算机可读存储介质所在设备执行上述实施例1提供的多通道激光雷达极浅水测深数据处理方法。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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