[发明专利]基于激光雷达测深系统确定海水深度的方法

摘要

本发明公开了一种基于激光雷达测深系统确定海水深度的方法，利用激光雷达测深系统进行激光发射和回波探测，然后对回波数据进行分析处理。由于系统噪声、背景噪声及数字化处理带来的误差等非理想因素会对算法处理带来很大影响，造成深度计算结果出现很大偏差，因此在进行波形识别之前，应首先对波形数据进行预处理，即进行滤波处理，然后基于高斯函数拟合海面和海底回波、四角函数拟合水体后向散射的方式对波形数据进行拟合处理，同时对拟合结果进行检验，将满足检验要求的拟合参数用于水深计算，从而实现测深目的，同时满足系统高精度测量的标准。

主权项

1.一种基于激光雷达测深系统确定海水深度的方法，包括以下步骤：步骤一、利用探测器接收激光回波信号，获得回波幅值wi，i＝0,1,2,…N，该回波幅值对应的采样时刻为ti，i＝0,1,2,…N，其中N为样点数，采用维纳滤波处理方法对原始波形数据进行滤波处理，得到滤波后幅值数据yi，i＝0,1,2,…N；步骤二、对步骤一中滤波后所得数据yi，i＝0,1,2,…N，进行拟合处理：利用公式(1)中的高斯函数拟合海面回波：公式(1)中，H1为海面回波幅值，u1为海面回波时刻位置，δ1为海面回波标准差；利用公式(2)中的四角函数拟合后向散射：公式(2)中，a表示四角函数的起始时刻，b表示四角函数的第1个顶点对应的时刻，c表示四角函数的第2个顶点对应的时刻，d表示四角函数的结束时刻，e、g分别表示对应第1个顶点和第2顶点对应的幅值；利用公式(3)中的高斯函数拟合海底回波：公式(3)中，H3为海底回波幅值，u3为海底时刻位置，δ3为海底回波标准差；将上述公式(1)、公式(2)和公式(3)中三种函数混合叠加得到完整拟合函数，如公式(4)所示：f(t)＝f1(t)+f2(t)+f3(t)   (4)根据步骤一得到的滤波后的数据及上述拟合函数进行拟合处理，过程如下：2‑1)、设定上述各参数的初始值θ，包括：海面回波幅值H10、海面回波时刻位置u10、海面回波标准差δ10、海底回波幅值H30、海底时刻位置u30、海底回波标准差δ30、四角函数起始时刻ao、四角函数第1个顶点对应时刻b0、四角函数第2个顶点对应时刻c0、四角函数结束时刻d0、四角函数第1个顶点对应幅值e0、四角函数第2个顶点对应幅值g0；2‑2)、根据设定的各参数的初始值和公式(4)利用最小二乘法为来更新迭代参数，即根据公式(5)计算得出拟合最好的参数组合θ*，包括：海面回波幅值H1*、海面回波时刻位置u1*、海面回波标准差δ1*、海底回波幅值H3*、海底时刻位置u3*、海底回波标准差δ3*、四角函数起始时刻a*、四角函数第1个顶点对应时刻b*、四角函数第2个顶点对应时刻c*、四角函数结束时刻d*、四角函数第1个顶点对应幅值e*、四角函数第2个顶点对应幅值g*；步骤三、对步骤二中的拟合函数进行拟合效果检验，设定相关系数ε，计算公式为：设定阈值ε0∈(0,1)，当ε(θ*)小于阈值ε0，则返回步骤2‑1)中修改参数初始设定，重新进行拟合；当ε(θ*)大于阈值ε0时，执行步骤四；步骤四，利用步骤三得出的拟合参数中的u1*和u3*两个参数值，分别作为海面回波时刻和海底回波时刻，所述海面回波时刻和海底回波时刻作差得到时刻间隔，再与光速度相乘得到激光雷达探测点的海水深度D，即：式(7)中，c为光速，n为折射率。