一种基于差分阈值评估的海洋激光雷达层次探测方法

技术领域

本发明属于海洋激光雷达技术领域，尤其是涉及一种基于差分阈值评估的海洋激光雷达层次探测方法。

背景技术

海洋生态系统在维持地球生命系统和物质循环方面具有重大意义，对人类的生产生活具有重大影响。以浮游植物为主的薄层，是海洋初级生产力的体现。薄层的厚度从几厘米到十几厘米不等，其水平分布可延伸至数千米，并持续数天甚至数月。薄层所在水域与周围水域存在明显不同，薄层中的叶绿素可高达背景水体的55倍，在这种叶绿素水平的影响下，薄层对碳循环、有机物运输转移、渔业发展及有害藻华暴发等地球生物化学过程具有重要影响。

层次检测技术可以帮助更好地理解薄层的水下分布与生长状况，实现对海洋碳循环及海洋生态变化的理解与监测；层次检测也是实现激光雷达反演的基础。层次检测技术可实现激光雷达信号的准确分类，帮助确定不同颗粒物的激光雷达比，为后续实现激光雷达反演，获得生物光学剖面奠定基础。

近年来，激光雷达层次检测技术蓬勃发展，涌现了许多优秀的层次检测算法。在大气层次检测方面，斜率法通过多点窗口拟合信号斜率，在一定数量的连续斜率大于零时，确定层基；小波协方差法(WCT)通过小波函数对回波信号进行变换，通过分析小波变换模的局部最大值得到层次位置；公开号为CN113504528A的中国专利文献公开了一种基于多尺度假设检验的大气层次检测方法，该发明利用一个固定大小的滑动窗口检测经过衰减计算后的整条信号，根据泊松分布、高斯分布或伯努利分布判断窗口的中心点是否属于层次点。阈值法是目前使用最广泛的层次检测方法，如公开号为CN107870336A的中国专利文献公开了一种用于星载激光雷达的可穿透层层底迭代检测方法，该发明将层底-层顶信号计算得到的衰减散射比与廓线扫描所得的衰减散射比的比值作为阈值，通过迭代算法不断优化大气边界层的检测。在海洋激光雷达层次探测方面，NOAA提出的扰动法是目前使用最广泛的海洋激光雷达层次检测算法，自然资源部第二海洋研究所的学者在此基础上迭代更新，提出了自适应的扰动法用于检测海洋层次。扰动法首先假设激光雷达信号在水体中指数衰减，衰减系数为常数，通过线性拟合的手段筛选层底与层峰。

考虑到海洋与大气有着不同的物理性质，气体分子与水分子不同的光学特性导致激光在大气与海洋中传播时具有不同的衰减及散射特点，海洋次表层与水体的相对强度不及气溶胶及云层强烈，现有大气检测算法不适用于海洋环境。为实现海洋激光雷达层次探测而开发的扰动法原理简单，但受先验假设的影响，层次检测结果受水体特性影响较大，在信号波动较大的情况下易产生较大检测误差。因此，亟需开发一种针对海洋、准确快速的层次检测算法。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种基于差分阈值评估的海洋激光雷达层次探测方法，可以实现海洋浮游植物层次的快速、准确检测。

一种基于差分阈值评估的海洋激光雷达层次探测方法，通过对比信号斜率变化的幅度，将层峰-层底相对强度作为约束条件，从激光雷达回波信号中筛选出海洋层次；具体包括以下步骤：

(1)针对机载激光雷达信号，对相同GPS信号去重；

(2)对去重后的机载激光雷达信号进行初步去噪，去除背景信号的影响；

(3)根据作业高度，对初步去噪后的激光雷达信号进行距离校正；

(4)对于校正后的激光雷达信号，沿着单廓线平滑去噪，确定单廓线的有效激光雷达信号范围；

(5)建立差分函数模型，设定一个固定大小为W的滑动窗口，计算相邻两个窗口内信号的斜率差值；

(6)设定峰高阈值，确定差分函数的峰值大小及位置，确定层底与层高；

(7)设定相对强度筛选阈值，计算层峰-层底相对强度，舍去低于阈值的不合理层次检测结果，最终确定这条廓线对应的层次位置。

本发明基于工作在蓝绿波段的海洋激光雷达，通过提出一种基于差分阈值评估的检测技术，实现海洋层次的准确探测。

考虑到激光雷达的高频采样，为降低偶然误差，步骤(1)中，针对机载激光雷达信号，对相同GPS定位的回波信号做多次平均，完成对相同GPS信号去重。

步骤(2)中，进行初步去噪的具体过程为：在多次平均的回波信号的基础上，假设无穷远处回波信号可忽略不计，取信号的末端100个采样点的均值作为背景信号，线性运算剔除该背景信号。

步骤(3)中，进行距离校正的公式为：

S

式中，S

步骤(4)中，确定单廓线的有效激光雷达信号范围的过程为：

(4-1)针对单廓线计算相邻采样点的变化量

(4-2)找到信号衰减至强度最大值千分之一处的深度位置z

(4-3)设定窗口宽度d，在所选深度z

(4-4)以φ(z)为阈值判断信号波动程度，若在某一深度Z

步骤(5)的具体过程为：

(5-1)在深度2m-Z

LogS(z)＝ln(S

(5-2)设定固定大小的滑动窗口W，对单条廓线计算以x

(5-3)定义差分函数模型：

Fun＝G(x)-F(x)。

步骤(6)中，以差分函数Fun的二分位数为峰高阈值，寻找差分函数Fun的峰值，舍去峰高阈值以下的值，第一个峰值位置为层高，最后一个峰值位置为层底。

步骤(7)中，对有效信号S

式中，z

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明为海洋激光雷达层次探测提供了一种新的方法，以信号变化趋势为切入点，准确定位回波信号中层次的左右边界。尤其是在信噪比较差的情况下，传统方式易受到信号波动影响，产生较大检测误差，而本发明所述差分阈值评估手段直接定位层次边界，减小了信号波动带来的干扰，实现了海洋层次快速、准确的检测。

附图说明

图1为本发明一种基于差分阈值评估的海洋激光雷达层次探测方法流程图；

图2为本发明实施例中差分模型的结果图；

图3是本发明实施例中单廓线层次检测的结果图；

图4是本发明实施例中126条廓线检测所得层次的信号相对强度图；

图5是本发明实施例中原始信号的强度图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

本发明的基于工作在蓝绿波段的海洋激光雷达，提出了一种基于差分阈值评估的海洋激光雷达层次探测方法，对大量回波信号平均处理降低偶然误差；经去噪、平滑和距离校正后确定有效信号范围；在有效信号基础上建立差分函数模型并最终确定有效层次。

本发明实施例以2018年3月的一组数据为例。如图1所示，一种基于差分阈值评估的海洋激光雷达层次探测方法，包括：

步骤(1)，获取161598条回波信号，经100次平均及GPS去重后，最终获得126条有效廓线，每条有效廓线有800个采样点。

步骤(2)，对126条廓线去除背景噪声信号。以一条单廓线为例，去除末端异常信号后，取深度70～88m的信号作为背景信号值，计算其均值后线性运算剔除该背景噪声。

步骤(3)，对剔除背景噪声的回波信号S

S

其中，n为1.33，H为613.8874m。

步骤(4)，确定距离校正后的回波信号S

(4-1)针对此条单廓线计算相邻采样点的变化量

(4-2)找到信号衰减至强度最大值千分之一处的深度位置z

(4-3)设定窗口宽度d＝10，在所选深度z

(4-4)以φ(z)为阈值判断信号波动程度，在深度Z

步骤(5)，利用有效回波信号S

(5-1)在有效范围内对此廓线进行对数处理。

LogS(z)＝ln(S

(5-2)设定滑动窗口W＝20，对该廓线计算以x

(5-3)定义差分函数模型，如图2中(b)所示为差分函数模型曲线图。

Fun＝G(x)-F(x)

步骤(6)，以差分函数Fun的二分位数为阈值，寻找差分函数Fun的峰值，舍去阈值以下的值，如图2中(b)所示，圆圈位置为筛选后的函数峰值，所选阈值为0.0247。第一个峰值位置为层高，最后一个峰值位置为层底。

步骤(7)，对有效信号进行补偿S

S

对补偿信号进行对数化处理，获取对数信号标准差sigma，以sigma为阈值，判断初选层次是否为真实层次。

式中，z

此实例所选廓线的层次识别结果如图3所示，(a)图中虚线之间为所选层次，(b)中虚线为sigma参考线。通过与sigma比较可得，此次检测层次为真实层次。对126条廓线检测结果如图4所示，与图5原始信号对比基本吻合，验证了本发明的有效性。

以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。