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专利号: 2021113538756
申请人: 山东科技大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2025-10-27
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种星载单光子激光雷达的水体光学参数反演方法,其特征在于,包括:

S1.获取星载单光子激光雷达在水面上方飞行并进行测量时的有效信号;

S2.利用反卷积算法消除单光子激光雷达的余脉冲效应;

S3.基于水体后向散射的理论模型,通过最小二乘拟合获取水体后向体散射系数与水体漫射衰减系数;

S4.计算水体后向散射系数;

所述有效信号为水体后向散射点云,即水体后向散射激光脉冲形成的点云,通过空间点云密度分类方法,提取空间点云密度更高的水面反射点云,所述水面反射点云即水面反射激光脉冲形成的点云,比水面反射点云高度值更高的点云对应大气散射激光脉冲形成的点云,比水面反射点云高度值更低的点云对应水体后向散射点云;

步骤S1包括以下子步骤:

S1.1.计算单位空间内的点云密度;

S1.2.计算空间网格内的平均值μ和标准差σ;

S1.3.计算水面反射点云与大气和水体后向散射点云的鉴别阈值TH;

S1.4.计算平均每次激光脉冲获取点云在深度方向等间隔累计的后向散射激光脉冲点云序列y(z)=[y(z1),y(z2),…,y(zn)],z代表深度序列,z1,z2,…,zn代表不同深度,深度方向统计间隔Δz=z2‑z1=z3‑z2=z4‑z3;

步骤S1.1包括:每个空间网格大小在沿卫星飞行方向长度间隔为Δl,在高度方向间隔为Δh,在研究区域星载单光子激光雷达所获取的数据沿卫星飞行方向的总长度为L,高度方向总长度为H,则在沿卫星飞行方向的网格数量nl和在高度方向的网格数量nh分别可以表示为:nl=ceil(L/Δl),nh=ceil(H/Δh),ceil表示向上取整函数;将研究区域内的数据进行空间网格划分,在沿卫星飞行方向的第i个且沿高度方向第j个网格的空间坐标范围F(i,j)满足:Lstart和Lend分别是研究区域内沿卫星飞行方向的起始坐标和终止坐标,Hmin和Hmax分别是研究区域内高度方向记录范围,即激光雷达的距离窗的最小值和最大值;统计每个空间网格坐标范围F(i,j)内的光子点云数量,即单位空间内的点云密度,记为N(i,j);

步骤S1.2中,

步骤S1.3中,TH=μ+ea×σ,ea是比例系数,在研究区域内,所有空间网格密度N(i,j)大于鉴别阈值TH的空间范围内点云都分类为水面反射点云;

步骤S2中,y(z)是真实水体后向散射信号序列x(z)=[x(z1),x(z2),…,x(zn)]与单光子激光雷达系统的脉冲响应函数H(z)的卷积,即y(z)=H(z)*x(z),z代表深度序列,y(z)=H(z)*x(z)等同于:z1,z2,…,zn代表不同深度;

单光子激光雷达系统的脉冲响应函数H(z)可以通过其激光脉冲入射至平面目标的接收信号计算获取,或者在单光子激光雷达系统内部截取部分激光脉冲能量对应的接收信号‑1计算获取,当已知脉冲响应函数H(z)时,通过反卷积x(z)=H (z)*y(z)获取消除余脉冲效‑1应后的真实水下后向散射信号序列x(z),其中H (z)表示H(z)的逆矩阵;

水体后向散射信号序列x(z)与水体参数后向散射理论函数可以表示为:

exp为指数函数,sec为正割三角函数;β(π)代表角度为π时(后向)的体散射系数,Kd代表水体漫射衰减系数,为待计算的两项参数;Et为单脉冲激光发射能量,η为单光子激光雷达‑34系统的综合效率,hp为普朗克常数约等于6.63×10 J·s,v为激光波长效率,R为星载单光子激光雷达飞行高度,Ar为激光雷达望远镜接收孔径有效面积,以上参数对于给定激光雷达系统都是已知参数;nw为水体折射率,θ为发射激光脉冲进入水体后的折射角,Ta为激光脉冲通过大气层时的衰减系数,Tw为激光脉冲通过水面进入水体时的衰减系数,以上参数通常在给定条件下为常数值或可以通过激光雷达系统参数计算获取;

上式中,代求参数为2个,后向散射信号序列x(z)中的数据通常大于10个,存在数据冗余问题,为了取得更稳定的结果,抑制数据中存在的随机误差,采用最小二乘拟合的方法计算后向体散射系数β(π),漫射衰减系数Kd;

步骤S4中的水体后向散射系数为更常用的水体光学参数,利用步骤3中得到的后向体散射系数β(π),计算水体后向散射系数bb,假设后向散射各向同性条件下,后向散射系数bb定义为入射光线后半球空间的体散射系数之和:bb=2πβ(π)。