用于深海的用高光谱激光雷达系统的校正方法及校正装置

1.本公开涉及深海用高光谱激光雷达系统的校正技术，更具体地，涉及一种用于深海的用高光谱激光雷达系统的校正方法及校正装置。


背景技术：

2.高光谱激光雷达作为光电信息获取、激光雷达探测领域中一种全新的探测与信息获取体制，兼具了激光雷达探测和高光谱探测成像的优势，并具有全主动探测特点，对目标光谱信息的获取不受环境光照条件的影响，可在弱光或黑暗环境中探测光谱。将高光谱激光雷达应用于深海探测，可以获取兼具海底测距信息与光谱特征信息的多维数据，可应用于海底目标的全波形属性、空间属性及光谱属性的一体化定量探测分析研究。借助深海探测平台，开展深海地形地貌探查与信息获取、资源勘查等应用研究。
3.从高光谱激光雷达获取的深海探测原始数据中反演出高精度的包含空间信息和光谱信息的多维数据，需要对其辐射特性、几何特性等特性参数进行校正。由于海水对各波段激光的吸收、散射、衰减，海底目标复杂多样等因素的影响，水体各种物理与生物化学组成对高光谱激光雷达水下光场传输效果的影响复杂，高光谱激光雷达辐射/几何特性的精确校正对海水光学参数的高精度获取提出了更高的要求。
4.亟需设计一种用于深海的用高光谱激光雷达系统的校正方法及校正装置，以作为合作目标配合高光谱激光雷达系统进行深海探测，以对深海用高光谱激光雷达系统进行校正，有利于通过深海用高光谱激光雷达系统获取较为准确的海水参数。


技术实现要素：

5.为解决现有技术中的上述以及其他方面的至少一种技术问题，本公开提供一种用于深海的用高光谱激光雷达系统的校正方法及校正装置，适用于对深海用高光谱激光雷达系统的距离和反射率进行校正，以提升深海用高光谱激光雷达系统的精度。
6.本公开的实施例的一个方面提供一种用于深海的用高光谱激光雷达系统的校正方法，包括：依据雷达与靶标之间的距离观测值变量及所述雷达与所述靶标之间的距离真值变量构建距离校正方程；获取所述雷达与位于不同位置的多个靶标之间的距离观测值，并依据多个所述距离观测值及与每个所述距离观测值相对应的距离真值求解所述距离校正方程中的加常数及乘常数；以及将所述加常数及乘常数代入所述距离校正方程，获得目标距离校正方程，以实现对所述高光谱激光雷达系统的距离校正。
7.在一种示意性的实施例中，所述依据雷达与靶标之间的距离观测值变量及所述雷达与所述靶标之间的距离真值变量构建距离校正方程，包括：
[0008][0009]
式1中，表征为所述雷达与所述靶标之间的距离真值变量，d表征为所述雷达与所述靶标之间的距离观测值变量，k0表征为加常数，k1表征为乘常数。
[0010]
在一种示意性的实施例中，所述获取雷达与多个不同距离的靶标之间的距离观测
值变量，并依据多个所述距离观测值变量及与每个所述距离观测值变量相对应的距离真值变量求解所述距离校正方程中的加常数及乘常数，包括：设置多个与所述雷达的不同距离的所述靶标的距离真值变量；测量所述雷达与每个所述标靶的距离观测值变量；依据多组所述距离真值变量及所述距离观测值变量构建包括改正系数的第一方程组；求解所述第一方程组中的所述改正系数的残差向量矩阵；以及基于所述残差向量矩阵、多组所述距离真值变量及所述距离观测值变量，利用最小二乘拟合求解所述加常数及所述乘常数。
[0011]
在一种示意性的实施例中，还包括：依据所述距离真值变量、所述雷达探测到的回波光强变量及所述雷达的发射光强变量构建辐射校正方程；基于所述雷达的发射光强变量、获取与多个不同的所述距离真值变量相对应的回波光强变量，依据多组所述发射光强变量、所述距离真值变量及所述回波光强变量求解所述辐射校正方程中的基于所述发射光强变量的第一增益系数、基于所述回波光强变量的第二增益系数、基于所述雷达的双程衰减系数及基于所述雷达的偏移系数；以及将所述第一增益系数、所述第二增益系数、所述双程衰减系数及所述偏移系数代入所述辐射校正方程，获得目标辐射校正方程，以实现对所述高光谱激光雷达系统的辐射校正。
[0012]
在一种示意性的实施例中，所述依据所述距离真值变量、所述雷达探测到的回波光强变量及所述雷达的发射光强变量构建辐射校正方程，包括：
[0013][0014]
式2中，表征为所述雷达与所述靶标之间的距离真值变量，i(λ)表征为回波光强变量，i0(λ)表征为发射光强变量，ρ(λ)表征为地物反射率，α(λ)表征为双程衰减系数，a表征为偏移系数，k1表征为第一增益系数，k2表征为第二增益系数，λ表征为雷达的波长。
[0015]
在一种示意性的实施例中，所述基于所述雷达的发射光强变量、获取与多个不同的所述距离真值变量相对应的回波光强变量，依据多组所述发射光强变量、所述距离真值变量及所述回波光强变量求解所述辐射校正方程中的基于所述发射光强变量的第一增益系数、基于所述回波光强变量的第二增益系数、基于所述雷达的双程衰减系数及基于所述雷达的偏移系数，包括：设置所述雷达的所述发射光强变量、并基于同一所述发射光强变量对多个不同的所述距离真值变量的所述靶标进行辐射，并通过所述雷达探测与每个所述距离真值变量相对应的所述回波光强变量；基于多组所述距离真值变量、所述发射光强变量及所述回波光强变量构建第二方程组；以及求解所述第二方程组中的所述第一增益系数、所述第二增益系数、所述双程衰减系数及所述雷达的偏移系数。
[0016]
本公开的实施例的另一个方面还提供一种适用于所述校正方法的高光谱激光雷达系统用校正装置，包括：支架，适用于安装在高光谱激光雷达系统的雷达上，并被构造成沿所述雷达的辐射方向相平行的方向延伸；以及多个靶标，间隔安装于所述支架上，每个所述靶标均被构造成在将所述雷达的辐射阻挡的第一位置及与所述雷达的辐射方向错位的第二位置之间移动；其中，每个所述标靶与所述雷达之间的距离限定一个距离真值变量。
[0017]
在一种示意性的实施例中，至少一部分所述标靶可枢转的安装于所述支架上。
[0018]
在一种示意性的实施例中，还包括驱动机构，所述驱动机构与至少一部分所述标靶连接，适用于驱动至少一部分所述标靶绕与所述支架连接的枢轴在所述第一位置及所述第二位置之间摆转。
[0019]
在一种示意性的实施例中，所述支架内设置有滑槽，所述滑槽的延伸方向与所述雷达的辐射方向相平行；每个所述标靶可滑动地安装在所述滑槽内，适用于调节所述标靶相对于所述雷达之间的距离。
[0020]
根据本公开提供用于深海的用高光谱激光雷达系统的校正方法及校正装置，校正装置中的支架及多个靶标适用于作为对雷达进行校正的标定装置，以通过调整不同靶标在第一位置及第二位置之间的移动，以使深海用高光谱激光雷达系统获取多个距离真值变量及距离观测值变量。校正方法适用于对深海用高光谱激光雷达系统的距离和反射率进行校正，以提升深海用高光谱激光雷达系统的精度。
附图说明
[0021]
图1是根据本公开的一种示意性实施例的用于深海的用高光谱激光雷达系统的校正方法的流程图；
[0022]
图2是根据本公开的另一种示意性实施例的用于深海的用高光谱激光雷达系统的校正方法的流程图；
[0023]
图3是根据本公开的一种示意性实施例的深海用高光谱激光雷达系统的校正装置的立体图；以及
[0024]
图4是图3所示的示意性实施例的一部分靶标处于第二位置状态的使用状态图。
[0025]
上述附图中，附图标记含义具体如下：
[0026]
1、校正装置；
[0027]
11、支架；
[0028]
111、滑槽；
[0029]
12、靶标；
[0030]
121、突出部；
[0031]
13、支杆；以及
[0032]
2、雷达。
具体实施方式
[0033]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
[0034]
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
[0035]
在此使用的所有术语包括技术和科学术语具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
[0036]
在使用类似于“a、b和c等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释例如，“具有a、b和c中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有a、单独具有b、单独具有c、具有a和b、具有a和c、具有b和c、和/或具有a、b、c的系统等。在使用类似于“a、b或c等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应
该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释例如，“具有a、b或c中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有a、单独具有b、单独具有c、具有a和b、具有a和c、具有b和c、和/或具有a、b、c的系统等。
[0037]
图1是根据本公开的一种示意性实施例的用于深海的用高光谱激光雷达系统的校正方法的流程图。
[0038]
本公开提供一种用于深海的用高光谱激光雷达系统的校正方法，如图1所示，包括s100，依据雷达与靶标之间的距离观测值变量及雷达与靶标之间的距离真值变量构建距离校正方程；s110，获取雷达与位于不同位置的多个靶标之间的距离观测值，并依据多个距离观测值及与每个距离观测值相对应的距离真值求解距离校正方程中的加常数及乘常数；s130，将加常数及乘常数代入距离校正方程，获得目标距离校正方程，以实现对高光谱激光雷达系统的距离校正。
[0039]
根据本公开的实施例，如图1所示，依据雷达与靶标之间的距离观测值变量及雷达与靶标之间的距离真值变量构建距离校正方程，包括：
[0040][0041]
式1中，表征为雷达与靶标之间的距离真值变量，d表征为雷达与靶标之间的距离观测值变量，k0表征为加常数，k1表征为乘常数。
[0042]
根据本公开的实施例，如图1所示，s110，获取雷达与多个不同距离的靶标之间的距离观测值变量，并依据多个距离观测值变量及与每个距离观测值变量相对应的距离真值变量求解距离校正方程中的加常数及乘常数，包括：
[0043]
s111，设置多个与雷达的不同距离的靶标的距离真值变量；
[0044]
s112，测量雷达与每个标靶的距离观测值变量；
[0045]
s113，依据多组距离真值变量及距离观测值变量构建包括改正系数的第一方程组；
[0046]
s114，求解第一方程组中的改正系数的残差向量矩阵；以及
[0047]
s115，基于残差向量矩阵、多组距离真值变量及距离观测值变量，利用最小二乘拟合求解加常数及乘常数。
[0048]
在一种示意性的实施例中，s111，设置多个与雷达的不同距离的靶标的距离真值变量、包括但不限于四个与雷达不同距离的标靶。
[0049]
详细地，将四个标靶设置于与雷达的距离已知的基准位置，将四个标靶相对于雷达的位置作为距离真值变量，包括及
[0050]
进一步的，s112，测量雷达与每个标靶的距离观测值变量，包括：通过雷达对四个标靶分别进行测量，得到与四个距离真值变量相对应的四个距离观测值变量，包括d1、d2、d3及d4。
[0051]
更进一步的，s113，依据多组距离真值变量及距离观测值变量构建包括改正系数的第一方程组，包括：以与一个距离真值变量及与该距离真值变量相对应的距离观测值变量为一组，依据四组距离真值变量及距离观测值变量构建第一方程组，见下式3：
[0052][0053]
式3中，表征为雷达与4个标靶之间的距离真值变量，d1～d4表征为与4个距离真值变量对应的距离观测值变量，v1～v4表征为与4个距离真值变量对应的改正系数，k0表征为加常数，k1表征为乘常数。
[0054]
再进一步的，s114，求解第一方程组中的改正系数的残差向量矩阵，包括：
[0055]
基于多组距离真值变量与距离观测值变量的差，构建误差方程组，见下式4及下式5：
[0056][0057]
式4中，li表征为同组的距离真值变量与距离观测值变量的差，i表征第i组，表征为第i个距离真值变量，di表征为第i和距离观测值变量；
[0058][0059]
式5中，v1～v4表征为与4个距离真值变量对应的改正系数，k0表征为加常数，k1表征为乘常数，d1～d4表征为与4个距离真值变量对应的距离观测值变量，l1～l4表征为与4个距离真值变量对应的距离真值变量与距离观测值变量的差；
[0060]
通过间接平差公式进行最小二乘平差解算，根据条件式v＝ax-l，可列出误差方程，见下式6：
[0061]
(a
t
pa)x＝a
t
pl
ꢀꢀꢀ
式6
[0062]
式6中，p表征为距离观测值变量的单位权阵，
[0063][0064][0065][0066]
列出距离校正方程的解的表达式，见下式10：
[0067]
[0068]
然后，将x矩阵代入误差方程(式5)，得到残差向量矩阵
[0069]
式7至式10中，d1～d4表征为与4个距离真值变量对应的距离观测值变量，k0表征为加常数，k1表征为乘常数，l1～l4表征为与4个距离真值变量对应的距离真值变量与距离观测值变量的差，v1～v4表征为与4个距离真值变量对应的改正系数。
[0070]
这样的实施方式中，适用于对深海用高光谱激光雷达系统的距离进行校正，经过校正后的雷达系统、在实际的探测过程中基于检测的目标物与雷达之间的实际距离观测值变量代入目标距离校正方程，可获得经加常数及乘常数改正后的目标距离值，以提升深海用高光谱激光雷达系统的距离测量的精度。
[0071]
图2是根据本公开的另一种示意性实施例的用于深海的用高光谱激光雷达系统的校正方法的流程图。
[0072]
根据本公开的实施例，如图2所示，用于深海的用高光谱激光雷达系统的校正方法还包括s200，依据距离真值变量、雷达探测到的回波光强变量及雷达的发射光强变量构建辐射校正方程；s210，基于雷达的发射光强变量、获取与多个不同的距离真值变量相对应的回波光强变量，依据多组发射光强变量、距离真值变量及回波光强变量求解辐射校正方程中的基于发射光强变量的第一增益系数、基于回波光强变量的第二增益系数、基于雷达的双程衰减系数及基于雷达的偏移系数；s220，将第一增益系数、第二增益系数、双程衰减系数及偏移系数代入辐射校正方程，获得目标辐射校正方程，以实现对高光谱激光雷达系统的辐射校正。
[0073]
根据本公开的实施例，如图2所示，s200，依据距离真值变量、雷达探测到的回波光强变量及雷达的发射光强变量构建辐射校正方程，包括：
[0074][0075]
式2中，表征为雷达与靶标之间的距离真值变量，i(λ)表征为回波光强变量，i0(λ)表征为发射光强变量，ρ(λ)表征为地物反射率，α(λ)表征为双程衰减系数，a表征为偏移系数，k1表征为第一增益系数，k2表征为第二增益系数，λ表征为雷达的波长。
[0076]
根据本公开的实施例，如图2所示，s210，基于雷达的发射光强变量、获取与多个不同的距离真值变量相对应的回波光强变量，依据多组发射光强变量、距离真值变量及回波光强变量求解辐射校正方程中的基于发射光强变量的第一增益系数、基于回波光强变量的第二增益系数、基于雷达的双程衰减系数及基于雷达的偏移系数，包括s211，设置雷达的发射光强变量、并基于同一发射光强变量对多个不同的距离真值变量的靶标进行辐射，并通过雷达探测与每个距离真值变量相对应的回波光强变量；s212，基于多组距离真值变量、发射光强变量及回波光强变量构建第二方程组；s213，求解第二方程组中的第一增益系数、第二增益系数、双程衰减系数及雷达的偏移系数。
[0077]
在一种示意性的实施例中，设置多个与雷达的不同距离的靶标的距离真值变量。包括但不限于四个与雷达不同距离的标靶。
[0078]
详细地，将四个标靶设置于与雷达的距离已知的基准位置，将四个标靶相对于雷
达的位置作为距离真值变量，包括及
[0079]
进一步的，s211，设置雷达的发射光强变量、并基于同一发射光强变量对多个不同的距离真值变量的靶标进行辐射，并通过雷达探测与每个距离真值变量相对应的回波光强变量，包括：设置雷达的发射光强变量i0(λ)，并基于相同的发射光强变量i0(λ)分别对四个标靶进行辐射，并通过雷达探测与相对应的回波光强变量i1(λ)、i2(λ)、i3(λ)及i4(λ)。
[0080]
更进一步的，s212，基于多组距离真值变量、发射光强变量及回波光强变量构建第二方程组，包括：以与一个距离真值变量及与该距离真值变量相对应的回波光强变量为一组，依据四组距离真值变量及回波光强变量构建第二方程组，见下式11：
[0081][0082]
式11中，表征为雷达与4个标靶之间的距离真值变量，i1(λ)～i4(λ)表征为与4个距离真值变量对应的回波光强变量，i0(λ)表征为发射光强变量，ρ0(λ)表征为地物反射率，α(λ)表征为双程衰减系数，a表征为偏移系数，k1表征为第一增益系数，k2表征为第二增益系数，λ表征为雷达的波长。
[0083]
再进一步的，s213，求解第二方程组中的第一增益系数、第二增益系数、双程衰减系数及雷达的偏移系数，包括：
[0084]
对于单一波长λ，通过四组发射光强变量、距离真值变量、地物反射率及测量得到的回波光强变量，可解得双程衰减系数(α(λ))、偏移系数(a)、第一增益系数(k1)及第二增益系数(k2)。
[0085]
对于高光谱激光雷达，存在n个波段，对应n个第二方程组的4n个方程应用最小二乘法，可解得相应的双程衰减系数(α(λ))、偏移系数(a)、第一增益系数(k1)及第二增益系数(k2)。
[0086]
这样的实施方式中，适用于对深海用高光谱激光雷达系统的辐射进行校正，经过校正后的雷达系统，基于解得的双程衰减系数、偏移系数、第一增益系数及第二增益系数代入式2中，以获得目标辐射校正方程。通过目标辐射校正方程求得目标地物反射率，以提升深海用高光谱激光雷达系统的地物反射率的精度。
[0087]
图3是根据本公开的一种示意性实施例的深海用高光谱激光系统的校正装置的立体图。图4是图3所示的示意性实施例的一部分靶标处于第二位置状态的使用状态图。
[0088]
本公开提供一种适用于对深海用高光谱激光雷达2系统进行校正的校正装置1，如图3所示，包括支架11及多个靶标12。支架11适用于安装在高光谱激光雷达2系统的雷达2上，并被构造成沿雷达2的辐射方向相平行的方向延伸。多个靶标12间隔安装于支架11上，每个靶标12均被构造成在将雷达2的辐射阻挡的第一位置及与雷达2的辐射方向错位的第二位置之间移动。每个标靶与雷达2之间的距离限定一个距离真值变量。
[0089]
根据本公开的实施例，如图3和图4所示，至少一部分标靶可枢转的安装于支架11
上。
[0090]
根据本公开的实施例，如图3和图4所示，校正装置1还包括驱动机构，驱动机构与至少一部分标靶连接，适用于驱动至少一部分标靶绕与支架11连接的枢轴在第一位置及第二位置之间摆转。
[0091]
在一种示意性的实施例中，支架11包括但不限于采用钢制材料制成。
[0092]
详细地，支架11被包括但不限于被构造成矩形的桁架结构。
[0093]
在一种示意性的实施例汇总，支架11的一端(如图3所示的上端)安装有适用于与雷达2连接的连接部。
[0094]
详细地，连接部包括但不限于采用法兰结构。
[0095]
在一种示意性的实施例中，靶标12包括但不限于四个。
[0096]
详细地，其中一个靶标12安装于支架11的远离连接部的另一端(如图3所示的下端)。
[0097]
进一步的，其他三个靶标12设置于上述靶标12与2之间。
[0098]
更进一步的，四个靶标12均匀间隔设置，相邻的两个靶标12的间距大致相同。
[0099]
在一种示意性的实施例中，靶标12包括但不限于标准反射率靶板。
[0100]
详细地，每个标准反射率靶板被构造成矩形结构。
[0101]
进一步的，靶板的反射率包括但不限于设置为50％-70％中的任一值。
[0102]
在一种示意性的实施例中，每个靶标12包括靶板及设置于靶板的与支架11相面对的端部(如图3所示的左端)的突出部121。
[0103]
详细地，靶板与突出部121可枢转配合。
[0104]
进一步的，突出部121安装于支架11上，以使靶板可在与支架11相正交的第一位置(如图3所示)、及向支架11翻折的第二位置(如图4所示)之间移动。
[0105]
更进一步的，靶板的与突出部121向背的端部(如图3所示的右端)与驱动机构连接。
[0106]
在一种示意性的实施例中，驱动机构包括支杆13及适用于驱动支杆13绕突出部121的枢轴旋转的驱动部(图中未示出)。
[0107]
详细地，支杆13的轴向一端与靶板的与突出部121向背的端部(如图3所示的右端)的一侧表面(如图3所示的下表面)连接。
[0108]
进一步的，驱动部包括但不限于具有牵拉作用的机构如电机等。
[0109]
这样的实施方式中，驱动机构通过支杆13可驱动靶标12相对于支架11翻转，以使多个靶标12安装于同一个支架11上，通过调节不同的靶标12与支架11的位置，以使雷达2辐射于不同的靶标12之上，以限定不同的距离真值变量。这样的校正机构的体积小巧，结构简单，适用于布置在与雷达2相同的观测环境中。
[0110]
根据本公开的实施例，如图3和图4所示，支架11内设置有滑槽111，滑槽111的延伸方向与雷达2的辐射方向相平行。每个标靶可滑动地安装在滑槽111内，适用于调节标靶相对于雷达2之间的距离。
[0111]
在一种示意性的实施例中，支架11的中部设置有贯通的滑槽111。
[0112]
详细地，靶标12的突出部121的两侧可滑动地嵌合于滑槽111内。
[0113]
进一步的，还设置有锁定机构(图中未示出)，适用于将靶标12相对于雷达2的位置
进行锁止，以使靶标12相对于雷达2保持在相应位置。
[0114]
这里需要说明的是，滑槽111、突出部121及锁止机构并不作为本公开的保护要点，任何本领域能够用于进行相对滑动及锁止的机构均可选择适用，不再进行具体展开。
[0115]
这样的实施方式中，标靶相对于雷达2及相邻标靶之间的间距可调节，进而形成不同的距离真值变量，有利于拓展校正装置1的使用场景，以提升校正装置1的适应性。
[0116]
本领域技术人员可以理解，本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行若干种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本发明中。特别地，在不脱离本发明精神和教导的情况下，本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行若干种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本发明的范围。
[0117]
以上所述具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。