一种基于不稳定性抑制的海洋激光雷达前向迭代反演方法

1.本发明属于海洋激光雷达技术领域，尤其是涉及一种基于不稳定性抑制的海洋激光雷达前向迭代反演方法。


背景技术：

2.目前的海洋光学探测手段包括原位仪器、被动遥感和主动遥感，其中主动遥感领域的激光雷达由于其能够实现昼夜探测、不受纬度限制、可获取海洋垂直剖面信息等优势获得广泛关注，成为了一种重要的海洋探测手段。弹性散射激光雷达比较简单，成本较低，是目前应用最为广泛的一种海洋激光雷达，并且在未来很长一段时间内仍将占据重要的海洋测绘地位。然而，对于弹性散射激光雷达而言，从单个回波信号方程中解出衰减系数k
lidar
(z)和180度体散射系数β
π
(z)存在困难，因此必须开发合适的反演算法。
3.现有的经典反演算法大致可分为两类。第一类算法基于k
lidar
(z)出现在积分项、其小尺度变化被削弱的假设，通过估计全深度范围内k
lidar
(z)的平均值来反演β
π
(z)廓线。这类算法无法反映k
lidar
(z)的剖面廓线，通常适用于衰减系数变化较弱的i类水体，其产生的误差很大程度上源于假设衰减系数的变化部分可以忽略和激光雷迖的信噪比。第二类算法假定k
lidar
(z)与β
π
(z)间存在某种已知关系，利用数值积分的方法求解激光雷达方程，如 fernald法及klett法。相较第一类算法，第二类算法可以同时反演k
lidar
(z) 及β
π
(z)，适用范围更广。然而，囿于前向迭代的不稳定性，目前采取第二类算法的海洋激光雷达反演几乎全部采用后向迭代，意味着算法需要一个深水处的边界参数。问题在于，深水处的边界参数往往难以获取，我们无法如地基大气激光雷达一样，以可计算的纯分子散射近似作为后向反演的边界参数。
4.因此，亟需提出一种能够克服不稳定性的前向反演方法，为激光雷达探测海洋垂直剖面提供更加全面的理论支撑。


技术实现要素：

5.针对现有海洋激光雷达前向反演不稳定、容易产生离群值的缺陷，本发明提供了一种基于不稳定性抑制的海洋激光雷达前向迭代反演方法，实现了对激光雷达比s
p
的精准求解，仅需水表层的边界条件便能够实现稳健的前向反演。
6.在不考虑多次散射影响的情况下，对深度为z处水体产生的激光雷达信号作环境参数、系统参数与距离平方校正，表示为：
[0007][0008]
其中，d表示经过系统环境参数与距离平方校正后的激光雷达信号，β
π
表示180
°
体散射函数，k
lidar
表示激光雷达衰减系数代表视场角。
[0009]
接下来的讨论将基于常用的532nm波长、大视场船载激光雷达。此时， k
lidar
可近似为kd。基于这样的近似，并分别考虑水分子与其余海水组分的光学性质,将d重新表达为：
[0010][0011]
其中，为海水分子的180度体散射系数(1.94*10-4
m-1
sr-1
)；k
dw
为海水分子的漫射衰减系数(0.0452m-1
)；与k
dp
分别为其余海水组分的 180度体散射系数及漫射衰减系数。
[0012]
引入fernald算法的经典假设：
[0013][0014]
根据该假设，即可使用数值积分得到前向fernald反演迭代式为：
[0015][0016]
其中，δz为激光雷达的空间分辨率，其中sw为纯海水分子的消光-散射比，s
p
为其他海水组分的消光-散射比，
[0017]
一种基于不稳定性抑制的海洋激光雷达前向迭代反演方法，包括以下步骤：
[0018]
s1，对采集的原始激光雷达数据作预处理，得到长度为n的离散信号 d，获取与d(0)深度位置相对应的边界条件
[0019]
s2，通过检测物理意义错误，缩小激光雷达比s
p
的求解范围，具体为：
[0020]
(2.a)定义激光雷达比s
p
的初始范围为
[0021]
(2.b)令
[0022]
(2.c)以作为初值，将当前的s
p
值及信号d代入前向 fernald反演迭代式，求得长度为n的反演廓线β
π
(n)；
[0023]
(2.d)判断β
π
(n)中是否存在若判断结果为真，则执行(2.f)；若判断结果为假，则执行(2.e)；
[0024]
(2.e)判断β
π
(n)中是否存在若判断结果为真，则执行 (2.g)；若判断结果为假，则执行(2.h)；
[0025]
(2.f)令返回(2.b)循环运行；
[0026]
(2.g)令返回(2.b)循环运行；
[0027]
(2.h)结束s2，执行s3；
[0028]
s3，通过优化目标函数f(s
p
)，实现s
p
的精确求解，具体为：
[0029]
(3.a)提取s2得到的令i＝1,
[0030]
(3.b)令计算
[0031]
(3.c)判断i＜＝n，若判断为真，执行(3.d)；若判断为假，执行(3.g)；
[0032]
(3.d)计算
[0033]
(3.e)判断v
tmp
＜v0；若判断为真，令v0＝v
tmp
,
[0034]
(3.f)令i＝i 1，跳转执行(3.c)；
[0035]
(3.g)存储当前的值，结束s3，执行s4；
[0036]
s4，根据s3得到的值，通过前向fernald反演迭代式，计算出kd(z) 及β
π
(z)廓线并输出结果。
[0037]
进一步地，步骤s1中，边界条件获取具体为：通过原位测量或水色遥感来测量边界条件
[0038]
步骤s3中，目标函数f(s
p
)的计算方法为：以为初值，将函数参数s
p
及信号d代入前向fernald反演迭代式，求得长度为n的反演廓线β
π
(n)，返回值其中为廓线的中位值。
[0039]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0040]
本发明无需事先假设的激光雷达比s
p
，实现了自动化的s
p
求解，克服了传统算法需要预设s
p
缺陷；本发明实现了不产生离群值的稳健前向反演，克服了传统前向反演的不稳定性；本发明在边界条件获取上较为便捷，无需测量或估计深水处的边界条件，仅需一个水表层的边界条件即可反演；本发明所需的水表层边界条件可以由水色遥感获得，有利于实现主被动遥感的结合。
附图说明
[0041]
图1为本发明一种基于不稳定性抑制的海洋激光雷达前向迭代反演方法的流程图；
[0042]
图2为本发明中s2步骤的局部流程图；
[0043]
图3为本发明中s3步骤的局部流程图；
[0044]
图4为本发明实施例中光学反演结果与原位探测结果的比对图。
具体实施方式
[0045]
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。
[0046]
如图1所示，一种基于不稳定性抑制的海洋激光雷达前向迭代反演方法，主要分为4个步骤：s1将对激光雷达信号数据作预处理，完成去噪及校正；s2及s3将完成对激光雷达比的求解；s4步骤将完成最终的反演结果计算及输出。
[0047]
如图2所示，步骤s2的算法是一个不断二分迭代的过程。s2将通过检测物理意义错误以缩小s
p
的求解范围：
[0048]
(2.a)将迭代次数loop初始化为1，将s
p
的求解范围初始化为 [0,1000]；
[0049]
(2.b)判断loop《60，若判断结果为真，顺序执行(2.c)；若判断结果为假，则跳转执行(2.i)；
[0050]
(2.c)令
[0051]
(2.d)以作为初值，将当前的s
p
值及信号d代入前向 fernald反演迭代式，求得长度为n的反演廓线β
π
(n)；
[0052]
(2.e)判断β
π
(n)中是否存在若判断结果为真，则跳转执行(2.g)；若判断结果为假，则顺序执行(2.f)；
[0053]
(2.f)判断β
π
(n)中是否存在若判断结果为真，则跳转执行(2.h)；若判断结果为假，则跳转执行(2.j)；
[0054]
(2.g)loop ，返回(2.b)循环运行；
[0055]
(2.h)loop ，返回(2.b)循环运行；
[0056]
(2.i)停止执行程序并报错；
[0057]
(2.j)执行s3。
[0058]
如图3所示，s3将通过优化目标函数f(s
p
)，实现s
p
的精确求解：
[0059]
(3.a)提取s2得到的令i＝1,
[0060]
(3.b)令计算
[0061]
(3.c)判断i＜＝n，若判断为真，执行(3.d)；若判断为假，执行(3.g)；
[0062]
(3.d)计算f(s
p
)的计算方法为：以为初值，将函数参数s
p
及信号d代入前向fernald反演迭代式，求得长度为n的反演廓线β
π
(n)，
返回值其中为β
π
廓线的中位值；
[0063]
(3.e)判断v
tmp
＜v0；若判断为真，令v0＝v
tmp
,
[0064]
(3.f)令i＝i 1，跳转执行(3.c)；
[0065]
(3.g)存储当前的值，结束s3，执行s4。
[0066]
s4将根据s3得到的值，通过fernald前向迭代，计算出kd(z)及β
π
(z)廓线并输出结果。
[0067]
依据实施例的反演得到的光学参数结果如图4所示。其中’x’标记线表示原位仪器在整点时刻探测到的光学参数，实线表示整点
±
5分钟内51条激光雷达信号廓线的平均反演结果，误差条表示
±
1的标准差。可以看到，前向反演的结果是稳定的、不产生离群值的，证明了反演算法成功克服了不稳定性。也可以看到，反演结果与原位测量结果的吻合程度较好，说明了反演方法的有效性。
[0068]
在本实施例中，利用本发明的基于激光雷达比求解的前向fernald反演算法，实现了对水体光学参数kd、β
π
剖面的探测反演，与原位仪器探测结果对比情况良好，验证了本发明的有效性。
[0069]
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。