[发明专利]一种基于模型拟合的波形检测方法及系统

说明书

本发明提供了一种新的基于模型拟合的波形检测方法及系统。该方法首先去除噪声点和陆地激光点，选取水面上的激光点；然后运用高斯分解算法获取水底回波波形和水面回波波形；接着提取每个水上激光点的发射信号波形和回波信号波形；再运用高斯分解算法从测深LiDAR回波波形中提取出水面和水底回波波形；最后构造新的函数模型，拟合出激光强度呈指数衰减的水体后向散射波形。相对于传统的模型拟合方法，本发明具有两个显著的优点：一是拟合得到的水体后向散射波形更接近与实际波形。二是运用该方法可以提高激光回波位置和回波强度的检测精度。

技术领域

本发明涉及激光通信技术领域，尤其涉及一种基于模型拟合的波形检测方法及系统。

背景技术

测深LiDAR可以快速获取海洋地形，LiDAR也称机载激光测深系统，具有高精度，高效率，高分辨率等特点。测深LiDAR采集的数据通常包含有激光点云数据，激光回波全波形数据，相机图片数据等。其中对于激光回波全波形数据的处理算法是关键，模型拟合方法将激光回波波形视为多个不同波形函数的叠加，通过构建模型，将激光回波波形拟合为三个部分，分别是水底回波波形，水面回波波形和水体后向散射波形，从而求解出回波位置和回波强度等信息。常见的模型拟合方法是用高斯函数拟合回波波形，用多边形函数拟合水体后向散射波形，然而传统的多边形函数各条边均为线性函数，不能完全符合激光强度在水体中指数衰减的特性，因此现有技术中用多边形函数拟合水体后向散射波形，求解出来的激光回波位置和回波强度精度低。

发明内容

本发明提出一种新的基于模型拟合的波形检测方法，主要是通过构建一种新的非线性函数拟合水体后向散射波形，更符合激光强度在水体中呈指数衰减的特性。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于模型拟合的波形检测方法，方法包括步骤：

A、采集测深LiDAR有效波形数据，从机载激光雷达测深数据中读取全波形数据，去除由于系统误差和噪声造成的无效点，根据激光测深点的位置和深度信息，去除陆地激光点，选取有效的水上激光点；

B、提取每个水上激光点的发射信号波形和回波信号波形，测深LiDAR回波信号强度通过以下方程求解：

其中，P_b表示测深LiDAR接收器获取的底部回波强度，P_w表示水体后向散射回波强度，P_T表示激光发射强度，ρ表示底质反射率，η表示系统的综合衰减系数，F_p表示视场角系数，n_w表示水体折射率，A_r表示测深LiDAR激光接受器的孔径面积,θ表示天顶角，M(θ_i)表示热点效应,N(θ_i)表示脉冲拉伸效应H表示飞机的飞行高度,D表示水深,τ表示大气的光学厚度,β表示体散射系数；测深LiDAR回波信号由三部分组成：水面回波，水底回波，水体后向散射回波；

C、运用高斯分解算法从测深LiDAR回波波形中提取出水面和水底回波波形，高斯函数f_s(t)可以表示为：

其中W_R(t)表示接受的回波信号强度，α_i表示第i个高斯函数的信号强度，μ_i表示回波的位置，δ_i表示波形宽度(标准差)，N表示用于拟合的高斯函数的数目，通过求解函数f_s(t)的最小值，将N取2，即可得到水面回波和水底回波波形；

D、构造新的水体后向散射波形函数模型，拟合出激光强度呈指数衰减的水体后向散射波形，其拟合函数fv(t)为：