1.一种机载海洋激光雷达水底微弱回波信号探测方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:S1,基于波形标准差曲线确定水面回波位置,获取水面点与折射向量两种几何要素;
S2,构造时空约束的波形叠加模型,获取高信噪比的叠加伪波形;
S3,基于改进的归一化显著性峰值探测方法,逐级判断并获取水底微弱回波位置;
在步骤S2中,构造时空约束的波形叠加模型,获取高信噪比的叠加伪波形,包括:S201,遍历各水面点Psi所对应的折射向量Ri,构建时空约束的波形叠加模型,包括近邻波形选择与伪波形获取两部分;并计算与所有水面点与折射向量间的欧氏距离,获取水面点距离向量集合ΔPsi={ΔPsi1,ΔPsi2…ΔPsim}与折射距离向量集合ΔRi={ΔRi1,ΔRi2…ΔRsm}2
其中,ΔPsij=||Psi‑Psj||,ΔRij=||Ri‑Rj||2,j=1,2,…m,m为总海面点数,|| ||2为二范数运算,ΔPsij为第i与第j个海面点间的欧氏距离,ΔRij为第i与第j个折射向量间的欧式距离,Psj为第j个海面点坐标,Rj为第j个海面点对应的折射向量;
S202,根据K近邻准则,获取与各水面点Psi近邻的K1个水面点及对应的折射向量 从筛选出的K1个近邻的折射向量 中,再次根据K近邻准则获取与各水面点Psi对应的折射向量Ri近邻的K2个折射向量及对应的水面点;最终确定的近邻波形;
S203,从波形对K2个近邻波形数据进行叠加,滤除高斯白噪声,获取信噪比更高的叠加伪波形。
2.根据权利要求1所述的机载海洋激光雷达水底微弱回波信号探测方法,其特征在于,在步骤S1中,基于波形标准差曲线确定水面回波位置,获取水面点与折射向量两种几何要素,包括:S101,根据测深波形中噪声与回波上升沿间的标准差差异,利用滑动窗口构造波形标准差曲线,并确定上升沿位置为水面回波位置;
S102,根据所确定的水面回波位置与定位定姿信息,归算水面点云Ps,并基于主成分分析方法,获取各水面点Psi所对应的折射向量Ri。
3.根据权利要求2所述的机载海洋激光雷达水底微弱回波信号探测方法,其特征在于,在步骤S101中,确定上升沿位置为水面回波位置,表达式为:式中,ts为水面回波位置,find( )为查找满足条件的数据位置;S为标准差曲线,S=[s1,s2…sm],si=std(ω[i:i+n])为原回波信号ω中位置i处的标准差值,n为滑动窗口大小,std()为标准差函数;Te为标准差曲线S的极值点位置,εs为噪声阈值;diff()为差分运算,sign()为符号函数;
步骤S102中,获取各个水面点Psi所对应的折射向量Ri,表达式为:式中,Ri,Ii分别为折射向量与入射向量,na,nw分别表示激光在空气与水体中的折射率,θi,θr分别表示入射角与折射角,Ni为水面点Psi处的法向量。
4.根据权利要求1所述的机载海洋激光雷达水底微弱回波信号探测方法,其特征在于,在步骤S202中,获取与各水面点Psi近邻的K1个水面点及对应的折射向量 表达式为:式中, 分别为首次筛选的近邻水面点和折射向量,IDX1为首次筛选的近邻水面点索引,argsort()为数组元素从小到大的排序索引,Ps[ ]为从海面点集中取值,R[ ]为从折射向量集R中取值,[:K1]为从0到K1的区间向量;
再次,根据K近邻准则获取与各水面点Psi对应的折射向量Ri近邻的K2个折射向量及对应的水面点,表达式为:式中, 分别为再次筛选的近邻水面点与折射向量,IDX2为再次筛选的近邻水面点索引, 为从集合 中取值, 为从集合 中取值, 为折射向量Ri与集合 内的所有向量对应相减,[:K2]为从0到K2的区间向量;
最终,确定的近邻波形集合 其中, 分别为第1
到第K2个近邻的波形数据。
5.根据权利要求1所述的机载海洋激光雷达水底微弱回波信号探测方法,其特征在于,在步骤S203中,获取信噪比更高的叠加伪波形,表达式为:式中,ωacc为叠加伪波形,tsi为第i个近邻波形的水面回波位置,l为所取波形长度,[tsi:tsi+l]为一个区间,ωi[]为截取向量ωi的某一段,K2为最终确定的近邻波形个数。
6.根据权利要求1所述的机载海洋激光雷达水底微弱回波信号探测方法,其特征在于,在步骤S3中,基于改进的归一化显著性峰值探测方法,逐级判断并获取水底微弱回波位置,包括:S301,获取叠加伪波形中所有峰值的振幅A、分离度I与突出度P,并分别将三个指标归一化,以计算各个峰值的显著性;
S302,在叠加伪波形ωacc中,由t′b时刻开始向后搜索,若搜索值大于 则继续向后搜索,反之则停止;根据停止时的时刻位置tt,获取水底微弱回波搜索区间;
S303,在回波搜索区间内,计算各水面点Psi所对应波形中各峰位的显著性值,将显著性最大的峰位确定为最终的水底回波位置tb。
7.根据权利要求6所述的机载海洋激光雷达水底微弱回波信号探测方法,其特征在于,在步骤S301中,计算各个峰值的显著性,表达式为:Sig=A'×I'×P'(6)
式中,Sig为显著性值;A′,I′,P′分别代表归一化后的振幅、分离度和突出度值;将突出度大于噪声阈值εs且显著性值最大的峰位作为水底回波近似时刻t′b;
噪声阈值εs表示为:
式中, 为叠加伪波形中的尾端噪声;ωacc[‑s:]为获取叠加伪波形尾端的s个值;
std()为标准差函数;mean()为平均值函数。
8.根据权利要求6所述的机载海洋激光雷达水底微弱回波信号探测方法,其特征在于,在步骤S302中,水底微弱回波搜索区间为:[2×t′b‑tt,tt],2×t′b‑tt为区间起始时刻位置,tt为停止时的时刻位置。
9.一种机载海洋激光雷达水底微弱回波信号探测系统,其特征在于,该系统实施如权利要求1‑8任意一项所述机载海洋激光雷达水底微弱回波信号探测方法,该系统包括:几何要素获取模块,用于基于波形标准差曲线确定水面回波位置,获取水面点与折射向量两种几何要素;
叠加伪波形获取模块,用于构造时空约束的波形叠加模型,获取高信噪比的叠加伪波形;
水底微弱回波位置获取模块,用于基于改进的归一化显著性峰值探测方法,逐级判断并获取水底微弱回波位置。