一种基于沿轨连续性约束的星载单光子激光可测浅海范围自动检测方法

本发明涉及星载激光雷达测深，尤其涉及一种基于沿轨连续性约束的星载单光子激光可测浅海范围自动检测方法。

背景技术：

1、星载单光子激光雷达系统具备高灵敏度与高重频观测能力，能够在全球尺度上获取浅海区域的高程密集光子点云数据，为近岸水深测量、海底地形反演及海洋光学参数提取提供重要支撑；与传统多波束声呐和机载激光测深手段相比，星载单光子激光具有覆盖范围广、重复周期短、不受地域限制等优势，尤其适用于偏远岛礁、复杂岸线和国际海域的浅海测绘任务。

2、现有技术中，icesat-2星载单光子激光雷达在浅海测量中，受海面起伏、后脉冲噪声、海面厚层光子尾部及随机噪声干扰，易导致海底回波信号与伪信号混杂，难以在整轨尺度上自动、稳定地测定具有真实水下回波支持的浅海可测区段，而且现有方法缺乏对沿轨深度连续性、窗口形态及浅层伪响应的系统性判别，易将海面尾部响应或随机噪声误判为海底信号，也难以为边界模糊、光子稀疏的岛礁边缘提供可靠范围约束，为此，现提出一种基于沿轨连续性约束的星载单光子激光可测浅海范围自动检测方法，以解决上述提出的问题。

技术实现思路

1、为了克服背景技术中的缺点，本发明提供了一种基于沿轨连续性约束的星载单光子激光可测浅海范围自动检测方法，能够有效解决上述背景技术中涉及的问题。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：本发明提供了一种基于沿轨连续性约束的星载单光子激光可测浅海范围自动检测方法，包括以下步骤：

3、s1、基于icesat-2 atl03整轨光子数据，对光子事件进行质量标记筛选与沿轨连续分段，构建局部自适应海面参考，将光子高程转换为相对海面深度，在海面以下预设深度范围内构建水下候选测量域，滤除低质量光子与虚假连续剖面干扰，为水下回波判定提供可靠的空间约束范围；

4、s2、在水下候选测量域内，对后脉冲敏感深度附近的线状回波进行局部分bin统计与跨窗口连接，仅对稳定连接型后脉冲响应构建屏蔽范围，以抑制伪信号干扰，同时保留浅层真实海底响应，获得经伪信号抑制后的保留光子用于后续沿轨深度连续性判定，有效区分后脉冲伪信号与真实浅层海底回波，提升水下有效光子的信噪比；

5、s3、对经伪信号抑制后的保留光子沿轨分bin并提取深度峰值，依据相邻bin间深度连续性连接候选链，联合链覆盖率、沿轨跨度、深度跳变和峰值支持数量进行窗口保留判定，筛选稳定海底候选窗口作为有效窗口，确保筛选出的窗口具备稳定的海底回波支撑，提升有效窗口判定的准确率；

6、s4、依据相邻有效窗口的沿轨距离和代表深度关系合并生成初始候选区段，设置最小窗口数与区段长度剔除短距离伪响应，并基于海面核心厚度包络对浅层候选区段进行误判剔除，获得精化前的候选区段，剔除短距离伪响应和海面尾部误判，提高候选区段与真实海底区段的一致性；

7、s5、对精化前的候选区段先进行边界内收，剔除边缘弱支持窗口，再以保守边界内侧种子光子拟合局部深度趋势，向外逐窗补全连续弱海底响应，输出边界精化后的浅海可测区段检测结果，有效抑制边界噪声外溢，同时补全边缘弱回波区域，提高可测区段边界的定位精度。

8、优选的，所述s1具体包括：

9、对icesat-2 atl03整轨光子数据依据质量标记进行筛选，剔除置信度低于预设置信度阈值的光子事件，保留有效光子用于后续沿轨剖面组织，有效滤除低质量光子事件，提高后续沿轨剖面组织的数据质量；

10、根据相邻光子的经纬度计算沿轨距离坐标，对筛选后的有效光子按沿轨距离进行排序，并在轨段间断处实施分段切割，获得连续沿轨光子子段，避免跨段误连接，保证沿轨剖面组织的空间连续性；

11、在各连续沿轨光子子段内设定滑动局部窗口，依据窗口内光子的高程分布进行稳健统计估计，获得各窗口中心位置的初始海面参考高程，并经窗口间平滑约束更新海面参考序列，使海面参考更贴近真实海面位置，提高海面参考估计的稳定性；

12、根据海面参考序列将每个有效光子的原始高程转换为相对海面深度值，并保留深度值处于预设最小与最大搜索深度范围内的光子，构建海面约束下的水下候选测量域，限定水下回波搜索范围，减少无效深度光子的干扰。

13、优选的，所述s1中，构建局部自适应海面参考的过程为：

14、在每个滑动局部窗口内，对光子高程分布进行分位数稳健统计，以预设分位值对应的高程作为窗口海面初始估计，当窗口内有效光子数低于光子数阈值时采用邻域插值补全，确保统计不可靠窗口仍能获得合理海面估计，提高窗口覆盖完整性；

15、在海面初始估计的邻域高程范围内重新统计窗口内光子高程的主峰位置，以主峰对应高程更新对应窗口的海面参考值，使海面估计跟随局部光子密度中心，使海面参考锁定于局部光子密度最高区域，提高海面跟踪精度；

16、对整轨各窗口海面参考值进行沿轨中值滤波平滑，并对轨段首尾及段间跳变位置增加平滑权重，获得沿轨连续且抑制局部异常的海面参考序列，有效抑制局部异常尖峰，确保海面参考序列沿轨平滑过渡。

17、优选的，所述s2具体包括：

18、在水下候选测量域内，于预设的后脉冲敏感深度中心附近沿轨设置局部分析窗口，对各窗口内的候选光子进行等间隔分bin处理，形成局部深度分布直方图，为后脉冲线状回波的识别提供局部深度分布统计基础；

19、对各bin内光子数量进行统计，提取垂向厚度小于厚度阈值、沿轨跨度大于跨度阈值且沿轨占据比例高于占据阈值的线状回波，记为潜在后脉冲线状响应，有效捕获后脉冲薄层特征，排除垂向厚度较大的非目标回波；

20、将相邻局部分析窗口内深度差小于邻接深度阈值的潜在后脉冲线状响应进行跨窗口连接，记录连接后的窗口覆盖数量和沿轨连续长度，区分稳定后脉冲线与随机瞬时聚集，提高伪信号判别的可靠性；

21、仅对窗口覆盖数量和沿轨连续长度均超过对应阈值的连接型后脉冲线状响应构建沿轨屏蔽范围，在沿轨屏蔽范围内剔除相应光子，实现伪信号抑制并保留未成稳定连接的浅层响应，精准屏蔽稳定后脉冲伪信号，同时保留浅层真实海底响应不被误删。

22、优选的，所述s2中，构建屏蔽范围的过程为：

23、对满足连接条件的稳定后脉冲线状响应，提取其覆盖的各窗口内线状响应代表深度，计算代表深度的沿轨中值作为该后脉冲线的整体深度基准，稳定表征后脉冲线在整个沿轨跨段内的深度中心位置；

24、以整体深度基准为中心，结合线状响应的垂向厚度统计值设定垂向屏蔽半宽，并以线状响应的起始窗口和终止窗口沿轨位置设定沿轨屏蔽起止范围，使屏蔽范围贴合后脉冲线的实际空间展布形态；

25、将落入垂向屏蔽半宽与沿轨屏蔽起止范围所界定的二维屏蔽区域内的候选光子标记为后脉冲伪信号并予以剔除，屏蔽范围外的光子保留用于后续判定，精准剔除后脉冲伪信号，避免对邻近真实海底光子造成过度影响。

26、优选的，所述s3具体包括：

27、在经伪信号抑制后的保留光子数据上设定滑动判定窗口，沿轨方向对窗口内光子进行等间距分bin，统计各bin内光子深度分布并提取局部极大值对应的深度作为候选峰值，将离散光子转换为便于统计的深度分布单元，提高候选峰值提取的准确性；

28、沿沿轨方向依次比较相邻bin的候选峰值深度，将深度差小于最大深度跳变阈值的相邻峰值连接为同一候选链，记录候选链覆盖的bin编号序列及各bin对应的峰值深度，确保候选链在沿轨方向保持合理的深度连续性，排除跳变过大的虚假连接；

29、计算每条候选链的覆盖率、沿轨跨度、深度跳变幅度和峰值支持数量，并将各指标分别与对应阈值比较，仅当所有指标均满足阈值条件时将当前滑动窗口标记为有效窗口，从多维度综合评估链结构稳定性，提高有效窗口筛选的可靠性；

30、对标记的有效窗口，进一步统计窗口内候选链附近光子包括有效数量、连续占据列比例和垂向厚度的形态指标，仅当形态指标均满足预设形态阈值时最终保留有效窗口，排除稀疏离散或垂向展布过大的伪结构，保证保留窗口具备真实海底回波的形态特征。

31、优选的，所述s4具体包括：

32、提取所有有效窗口的沿轨起始位置、终止位置和代表深度，按照沿轨坐标升序排列，依次判断相邻有效窗口间的沿轨间隔是否小于合并间隔阈值，确保窗口合并基于正确的沿轨邻接关系，避免排序错乱导致的误判；

33、对沿轨间隔满足合并条件的相邻有效窗口，进一步判断二者代表深度差的绝对值是否小于合并深度差阈值，若同时满足两个合并条件则将相邻窗口归并为同一候选区段，确保合并后的区段在空间和深度上均具有一致性，避免不同海底结构被错误合并；

34、记录各候选区段包含的有效窗口数量、沿轨起止位置和区段长度，剔除有效窗口数小于最小窗口数阈值或区段长度小于最小区段长度阈值的候选区段，有效排除孤立窗口或短距离偶然连续形成的伪响应区段；

35、对保留的候选区段，提取其近海面深度带内光子的深度分布，计算海面核心深度包络和海面核心厚度，将代表深度落入海面核心包络容差范围内且核心厚度超过厚度阈值的候选区段判定为浅层海面尾部误判并予以剔除，有效区分海面厚层尾部与真实浅层海底，降低浅层误判率。

36、优选的，所述s4中，基于海面核心厚度包络对浅层候选区段进行误判剔除的过程为：

37、对每个候选区段，限定近海面深度带范围，提取落入所述近海面深度带内的光子并统计其深度分布，以60%分位深度作为所述候选区段海面核心向下延伸的包络深度基准，稳健估计海面核心下界位置，排除薄层光子和上飘噪声的干扰；

38、提取同一近海面深度带内光子的90%分位深度与10%分位深度，计算二者差值作为所述候选区段的海面核心厚度表征量，反映海面光子层尾部下垂的纵向展布程度，量化海面尾部下垂幅度，为浅层误判判别提供可靠依据；

39、当候选区段代表深度与海面核心包络深度基准的差值小于容差阈值，且所述候选区段海面核心厚度大于预设最小厚度阈值时，将候选区段标记为海面厚层尾部造成的浅层伪区段并从候选结果中剔除，精准识别海面尾部引起的伪区段，确保保留区段具有真实海底回波支持。

40、优选的，所述s5具体包括：

41、对精化前的每个候选区段，从区段左边界向左和右边界向右分别设置内收扫描窗口，逐窗统计窗口内候选光子的主导峰值深度及支持光子数量，量化边界附近海底回波的强度与深度特征，为边界可靠性判定提供依据；

42、以候选区段内部邻近左侧边界的光子深度中值作为左侧参考深度，以候选区段内部邻近右侧边界的光子深度中值作为右侧参考深度，分别判断左侧各扫描窗口主导峰值与左侧参考深度的一致性、支持光子数及垂向厚度是否满足左侧边界支持条件，以及右侧各扫描窗口主导峰值与右侧参考深度的一致性、支持光子数及垂向厚度是否满足右侧边界支持条件，确保边界判定与区段内部主体深度保持一致，避免局部异常导致边界误判；

43、从初始左边界逐窗向右搜索，当连续不满足左侧边界支持条件的扫描窗口数量达到预设数量时，将最后一个满足左侧边界支持条件的窗口位置确定为左侧保守边界；从初始右边界逐窗向左搜索，当连续不满足右侧边界支持条件的扫描窗口数量达到预设数量时，将最后一个满足右侧边界支持条件的窗口位置确定为右侧保守边界，完成双侧边界内收，剔除边缘弱支持区域，保留具有稳定海底回波支持的核心主体范围；

44、以左侧保守边界内侧和右侧保守边界内侧已确认的海底光子分别作为对应侧的种子，沿轨分bin进行局部深度趋势拟合，从左侧保守边界向左外侧和从右侧保守边界向右外侧分别逐窗搜索，将满足深度连续性及光子支持条件的弱海底响应窗口纳入对应侧区段，直至连续窗口不满足条件时停止对应侧外扩，输出边界精化后的最终区段，在抑制噪声的同时补全边缘弱回波区域，提高边界定位的完整性与准确性。

45、优选的，所述s5中，输出边界精化后的浅海可测区段检测结果的过程为：

46、在保守边界内侧预设沿轨范围内提取已确认的海底种子光子，对种子光子按沿轨分bin并取各bin深度中值，采用最小二乘拟合获取局部海底深度随沿轨变化的线性趋势函数，建立边界附近局部地形变化趋势，为外扩搜索提供可靠的深度预测基准；

47、当种子光子数量低于拟合阈值或拟合斜率超过预设变化限值时，改用局部中值深度作为常值趋势，以降低稀疏光子或剧烈地形条件下趋势拟合的不稳定性对外扩方向的干扰，避免样本不足或地形剧烈变化时趋势失真，保障外扩方向的稳定性；

48、从保守边界向外逐窗搜索，对每个外扩窗口根据趋势函数预测深度并计算与窗口内主导峰值深度的偏差，仅当偏差小于连续性容差且窗口内光子支持数量、垂向厚度和沿轨占据范围均满足外扩支持条件时纳入该窗口，确保外扩窗口与主体区段保持深度连续且具备足够的光子支撑，避免噪声或不连续散点并入；

49、当连续三个外扩窗口均不满足外扩支持条件时终止该侧外扩，将最终满足条件的窗口位置确定为精化后边界，输出包含最终边界、区段长度和外扩距离的浅海可测区段检测结果，统一边界内收与外扩的终止逻辑，为后续海底光子精提取提供精确的空间范围约束。

50、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

51、1、该一种基于沿轨连续性约束的星载单光子激光可测浅海范围自动检测方法，通过沿轨连续分段、质量筛选与局部自适应海面参考构建，将整轨光子数据统一至相对深度域，解决海面起伏和局部异常光子分布对水下回波判定的干扰，能够自适应不同海况和沿轨剖面变化，使可测区段检测在整轨范围内保持稳定。

52、2、该一种基于沿轨连续性约束的星载单光子激光可测浅海范围自动检测方法，通过后脉冲敏感深度附近的局部分bin统计、线状回波提取及跨窗口连接验证，仅对稳定连接型后脉冲响应构建屏蔽范围，保留未成稳定连接的浅层线状响应，在有效抑制后脉冲伪信号干扰的同时避免过度削弱真实浅层海底回波。

53、3、该一种基于沿轨连续性约束的星载单光子激光可测浅海范围自动检测方法，通过构建海面核心深度包络和海面核心厚度表征量，对候选区段进行区段级筛选，基于代表深度与海面核心包络的相对关系及核心厚度联合判定，有效剔除海面厚层光子尾部造成的浅层伪区段，同时保留具有真实海底支持的浅水区段。

54、4、该一种基于沿轨连续性约束的星载单光子激光可测浅海范围自动检测方法，通过边界内收剔除边缘弱支持窗口，再利用保守边界内侧种子光子拟合局部深度趋势，向外逐窗搜索符合连续性与形态约束的弱海底响应，在抑制噪声的同时对浅水过渡带和礁缘边缘进行适度补全，提升了可测区段边界的完整性。