机载激光测深近水面渗透误差修正的半经验波形分解方法.pdf
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1、第 卷第期测绘学报V o l ,N o 年月A c t aG e o d a e t i c ae tC a r t o g r a p h i c aS i n i c aJ u n e,引文格式:王丹菂,徐青,邢帅,等机载激光测深近水面渗透误差修正的半经验波形分解方法J测绘学报,():D O I:/j A G C S WAN GD a n d i,XU Q i n g,X I N GS h u a i,e ta l S e m i e m p i r i c a lw a v e f o r md e c o m p o s i t i o nm e t h o df o rc o r r
2、 e c t i o no fn e a rw a t e rs u r f a c ep e n e t r a t i o ne r r o r i na i r b o r n eL i D A Rb a t h y m e t r yJ A c t aG e o d a e t i c a e tC a r t o g r a p h i c aS i n i c a,():D O I:/j AG C S 机载激光测深近水面渗透误差修正的半经验波形分解方法王丹菂,徐青,邢帅,林雨准,张国平信息工程大学地理空间信息学院,河南 郑州 SS ee mm ii ee mm pp ii rr i
3、i cc aa llww aa vv ee ff oo rr mmdd ee cc oo mm pp oo ss ii tt ii oo nnmm ee tt hh oo ddff oo rrcc oo rr rr ee cc tt ii oo nnoo ffnn ee aa rrww aa tt ee rrss uu rr ff aa cc eepp ee nn ee tt rr aa tt ii oo nnee rr rr oo rr ii nnaa ii rr bb oo rr nn eeLL ii DD AA RRbb aa tt hh yy mm ee tt rr yyWWAA NN
4、 GGDD aa nn dd ii,XX UUQQ ii nn gg,XX II NN GGSS hh uu aa ii,LL II NNYY uu zz hh uu nn,ZZ HH AA NN GGGG uu oo pp ii nn ggI n s t i t u t eo fG e o s p a t i a l I n f o r m a t i o n,I n f o r m a t i o nE n g i n e e r i n gU n i v e r s i t y,Z h e n g z h o u ,C h i n aAA bb ss tt rr aa cc tt:T h
5、 ea c c u r a c yo f s i g n a ld e t e c t i o n i sak e yf a c t o r t h a ta f f e c t st h ef i n a lm e a s u r e m e n t r e s u l t so fa i r b o r n eL i D A Rb a t h y m e t r y T os o l v et h ep r o b l e mt h a tg r e e nl a s e rp e n e t r a t e st h ew a t e rc o l u m ni nn e a rw a
6、t e r s u r f a c ea n d i m p r o v e t h ea c c u r a c yo f t h ed e t e c t e dw a t e r s u r f a c es i g n a l,as e m i e m p i r i c a lw a v e f o r md e c o m p o s i t i o nm e t h o di sp r o p o s e d As e m i e m p i r i c a ls i g n a lc o n v o l u t i o nm o d e l t h a tc o n f o r
7、 m st ot h ef i e l dw a v e f o r m s i sc o n s t r u c t e db ys i m p l i f y i n gt h el a s e rr a d i a t i o nt r a n s m i s s i o nm o d e l D e e pw a t e rw a v e f o r ms a m p l e sa r em a n u a l l yc o l l e c t e du s i n gt h ef l i g h tt r a j e c t o r ya n di m a g et oe s t i
8、 m a t et h ei n i t i a lv a l u e sa n dr a n g e so f t h ew a t e r c o l u m np a r a m e t e r s i n t h em o d e l B a s e do n t h e t r u s t r e g i o na l g o r i t h m,e a c hc o m p o n e n to f t h ew a v e f o r m i s p r e c i s e l y r e c o n s t r u c t e dw i t h t h ec o n s t r
9、 a i n t s o f t h ew a v e f o r mp r i o r s,s o t h ep o s i t i o no f t h ew a t e rs u r f a c es i g n a li so b t a i n e d,a n dt h en e a r w a t e rs u r f a c e p e n e t r a t i o n e r r o ri sc o r r e c t e d T h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t h a tt h e p r o p o s e
10、 d m e t h o d c o m b i n e st h e o r y a n d e x p e r i e n c ei n w a v e f o r md e c o m p o s i t i o n,a d a p t i n gt ow a v e f o r m sw i t hd i f f e r e n tw a t e rd e p t h sa n di m p r o v i n gt h ea c c u r a c yo ft h ed e t e c t e dw a t e r s u r f a c es i g n a lw i t hg o
11、 o dw a v e f o r mf i t t i n g C o m p a r e dw i t h t h ed e c o n v o l u t i o na l g o r i t h ma n dt h e t r a d i t i o n a lw a v e f o r md e c o m p o s i t i o nm e t h o d,t h ea c c u r a c yo f t h ep r o p o s e dm e t h o da c h i e v e s a n d i m p r o v e m e n t,r e s p e c t
12、i v e l y KK ee yy ww oo rr dd ss:a i r b o r n e L i D A R b a t h y m e t r y;w a v e f o r m d e c o m p o s i t i o n;c o n v o l u t i o n;w a t e r a t t e n u a t i o nc o e f f i c i e n t;s i g n a l d e t e c t i o nFF oo uu nn dd aa tt ii oo nnss uu pp pp oo rr tt:T h eN a t i o n a lN a
13、t u r a l S c i e n c eF o u n d a t i o no fC h i n a(N o s ;)摘要:信号检测精度是影响机载激光测深最终测量成果的一项关键因素.针对绿激光在水面存在的近水面渗透现象,为提高水面信号检测精度,本文提出一种半经验波形分解方法.该方法通过简化激光辐射传输过程构建一种符合波形实际情况的半经验信号卷积模型,并利用基于航迹和影像数据人工选取的深水波形样本估计模型中水体参数初值及取值范围,在波形先验的约束下基于信赖域算法实现波形各组成部分的精确重构,从而确定水面信号位置并修正近水面渗透误差.试验结果表明,本文方法在波形分解中将理论与经验结合,可较
14、好地适应不同水深下的波形,能够在保证高拟合度的同时提升水面信号的检测精度,相比去卷积算法和传统波形分解方法,本文方法在精度上分别提高了 和.关键词:机载激光测深;波形分解;卷积;水体衰减系数;信号检测中图分类号:P 文献标识码:A文章编号:()基金项目:国家自然科学基金(;)在浅海海底地形测量中,机载激光测深技术(a i r b o r n eL i D A Rb a t h y m e t r y,A L B)能够借助机载平台优势实现高效、灵活的作业,可有效解决传统声学测深技术在浅海区域存在的通行受限问第期王丹菂,等:机载激光测深近水面渗透误差修正的半经验波形分解方法题.A L B技术是通过
15、发射和接收对水体具有较强穿透性的绿激光(n m),由获取的水面和水底回波信号实现对水底地形的测量.与陆地激光雷达不同,A L B的激光传输路径涉及两种介质(空气和水),因此在计算水底点坐标时必须进行折射修正.水面是空气和水的分界面,因激光在两种介质中的传输方向和速度均不相同,水面位置的确定将最终影响水底地形的测量精度.A L B系统在水域的接收波形是由水面回波、水体后向散射和水底回波构成的.理想情况下,水面回波信号会表现为一个明显的波峰,然而当风浪较小、水面平滑的时候,激光在水面趋近于镜面反射导致水面信号难以被接收器探测,此时水体后向散射因方向性较弱将在波形中占据主导而被误检测为水面信号,这一
16、现象被称为“水面不确定问题”.该问题在风浪受地形限制的近岸海域和海湾区域尤为显著,由此引起的水面信号检测误差被定义为近水面渗透(n e a rw a t e r s u r f a c ep e n e t r a t i o n,NW S P)误差.NW S P误差由水面回波强度和近水面的水体后向散射强度共同决定,其中前者主要取决于激光入射角和水体粗糙度,后者则主要与水体衰减系数相关.因此,在同一测区内NW S P误差的大小是变化的,无法直接通过单点测量来修正.文献 从理论上分析了NWS P误差的成因,认为NWS P误差在绿光通道波形中无法通过更改系统设计来避免,需要其他通道辅助测定.近红外
17、激光因难以穿透水体可用于水面位置的精确测量,为此一些A L B系统配备了近红外激光器(n m),但后续研究中发现近红外激光在较平滑水面依然存在大量无法被探测的情况.以近 红外激光探 测到的水面 位置作为参 考对NWS P误差进行分析发现,误差呈现出区域规律性,可通过统计分析的方法进行修正,代表性的方法有基于悬浮泥沙浓度的修正方法和基于冗余观测的修正方法.基于悬浮泥沙浓度的修正方法是利用在测区真实采样获得的悬浮泥沙浓度值内插出整个测区水体浑浊度情况,再通过统计分析的方式建立NWS P误差与悬浮泥沙浓度的关系,从而实现水面位置的修正.基于冗余观测的修正方法是通过对测区不同角度的两次重复观测,从理论
18、上建立两次测量差值与NWS P误差的关系,进而反演出准确的水面位置.虽然相关试验已证明通过统计分析的方式可以较好地修正NWS P误差,但现有方法都需要在实际作业中增加观测量,一定程度上影响了测量的效率,最理想的方法是仅通过对原始绿光通道波形的分析实现NWS P误差的修正.对于A L B系统获取的水域回波波形,波形分解是依据所构建的模型将波形分解为水面回波、水底回波和水体后向散射部分.如果波形分解方法能够将波形各组成成分进行准确地重建,水面回波信号位置的确定就可以不受水体后向散射的影响,从而间接地实现NWS P误差的修正.波形分解方法的关键在于模型的建立,具体在A L B中关键在于水体后向散射模
19、型的建立.根据模型的定义方式,现有的水体后向散射模型大致可分为几何函数模型、数学函数模型和信号卷积模型类.几何函数模型是依据波形中水体后向散射的形状建立的,大 多 采 用 分 段 函 数 来 表 示,如 三 角 形 函数、四边形函数、一阶多项式指数函数 和二阶多项式指数函数 等.文献 分析了利用不同几何函数模型拟合水体后向散射对测深精度的影响,发现指数函数更能适应不同水质和水深条件下的波形.数学函数模型是多个数学函数的组合叠加,相比于用分段函数表示的几何函数模型,数学函数模型具有连续性优势,在模型参数求解时也能减少局部极值的影响,代表性的方法有双指数函数模型、半高斯函数模型 和多元高斯函数模型
20、.信号卷积模型 将波形看作目标横截面和激光发射信号的卷积,在模型中内嵌入卷积操作,通过拟合目标横截面来间接实现波形拟合.在上述种模型中,几何函数模型和数学函数模型只能够实现与波形形状上的相似,只有信号卷积模型是基于波形生成过程建立的,因此最符合激光辐射传输规律,也与实际情况最为贴近.然而,现有的信号卷积模型在设置模型参数初值时缺乏对水体环境因素的考虑,在参数求解时没有对水体相关参数进行约束,导致波形分解结果依然存在随机性.针对A L B中存在的NWS P问题,本文提出一种半经验波形分解方法,通过简化激光辐射传输的物理过程构建一种半经验信号卷积模型,该模型具有未知参数数量少、参数间独立性强等优点
21、,能够有效提高模型参数求解精度;利用航迹和影像数据人工选取少量深水波形样本用于计算水体参数的概率分布估计,据此实现模型参数初值及取值范围的合理设置,以提高波形分解结果与波形实际情况的吻合度,进而实现NWS P误差的J u n e V o l N o A G C Sh t t p:x bc h i n a s m pc o m准确修正.以双频A L B系统获取的近红外水面信号为参考,将本文方法与传统波形去卷积方法和波形分解方法进行比较,验证了本文方法能够实现对 波 形 各 组 成 部 分 的 真 实 拟 合,以 及 对NWS P误差的有效修正.绿激光近水面渗透误差分析为证明NWS P误差修正的必
22、要性,本文通过理论公式推导的方式建立NWS P误差与水底点位计算结果之间的关系.在激光入射光线与法线所在的平面内对NWS P误差进行分析,以激光器中心O为原点,水平向右为X轴,垂直向下为Y轴建立平面坐标系,如图所示.图中黑色实线为激光的实际传输路径,激光从O沿路径ra到达水面点XS,在XS处发生折射后再沿路径rw到达水底点XB;灰色虚线为当存在NWS P误差时计算的激光传输路径,即激光从O沿路径r a到X S,再从X S出发沿路径r w到达X B.根据点位计算模型,水面点和水底点坐标可表示为XSOraOLaa()XBXSrwOLaaLww()X SOr aO(Lacat/)a()X BX Sr
23、 wOLacat/()aLwcwt/()w()式中,La和Lw分别为激光在空气和水中传输的实际距离;t为NWS P引起的水面信号双向传输时间差;ca和cw分别为激光在空气和水中的传播速度;a和w分别为激光在空气和水中传输的单位方向向量,计算公式为 as i nac o sa()ws i nwc o sw()式中,a和w分别为激光在水面的入射角和折射角,遵循斯涅尔定律nws i nas i nwcacw()式中,nw为激光在水中的折射率.图中的hS为激光在水面的渗透深度,可表示为hScatc o sa/()由式()式()可推导出水面点误差ES和水底点误差EB的表达式为ESX SXScat a/(
24、)EBX BXBt(caacww)/()将式()式()代入式()和式(),可得ES(hSt a na,hS)()EB hSt a nanw,hShSnwc o sas i nanw()由式()和式()可知,在将nw看作常量的条件下,NWS P误差仅取决于渗透深度hS和激光入射角a的大小.图近水面渗透误差理论分析剖面F i g S c h e m a t i cd i a g r a mo f t h en e a rw a t e rs u r f a c ep e n e t r a t i o ne r r o r i nt h ev e r t i c a lp r o f i l e为
25、具体分析NWS P误差,以中科院上海光机所研制的国产双频A L B系统M a p p e r 为例,计算NWS P对水底点坐标在水平和垂直方向上引起的误差.M a p p e r 系统采用的是类圆锥扫描方式,激光入射角随扫描镜转动呈周期性变化,折射角也随之变化,如图所示.图M a p p e r 扫描方式下的激光入射角和折射角变化情况F i g C h a n g e so fi n c i d e n ta n g l ea n dr e f r a c t i o na n g l eu n d e rM a p p e r s c a n n i n gm o d e在水质较好的情况下,
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