CN113740873A - 一种基于高斯卷积的海洋激光雷达快速仿真方法 - Google Patents

一种基于高斯卷积的海洋激光雷达快速仿真方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于海洋激光雷达遥感探测技术领域，尤其涉及一种基于高斯卷积的海洋激光雷达快速仿真方法。该方法根据水体散射相函数计算均方角
Figure 910046DEST_PATH_IMAGE001
，计算散射相函数前向峰
Figure 786735DEST_PATH_IMAGE002
，计算单次散射信号强度
Figure 671514DEST_PATH_IMAGE003
，计算多次散射与单次散射比
Figure 865DEST_PATH_IMAGE004
，计算多次散射信号强度
Figure 262082DEST_PATH_IMAGE005
，计算激光回波信号总强度
Figure 930960DEST_PATH_IMAGE006
。本发明根据高斯激光束与高斯相函数的卷积，可以将激光在水体的多次散射信号快速地仿真出来。

Description

一种基于高斯卷积的海洋激光雷达快速仿真方法
技术领域
本发明属于海洋激光雷达遥感探测技术领域，尤其涉及一种基于高斯卷积的海洋激光雷达快速仿真方法。
背景技术
海洋激光雷达已广泛应用于海洋探测，但目前对水体参数的反演还多使用简化的单次散射激光雷达方程，多忽略了激光在水体传播过程中的多次散射。而因为多次散射的影响，激光雷达回波信号往往要比单次散射的信号强，会对信号的反演带来误差。海洋激光雷达***的设计和回波信号的反演需要多次散射的准确仿真作为依据。
目前对激光雷达多次散射的仿真多采用蒙特卡洛模型，但该模型计算量大、耗时长。本方法根据高斯激光束与水体高斯散射相函数的卷积，提出了一种解析模型，能够快速地计算激光在水体中的多次散射信号。
发明内容
本发明的目的在于获取激光在水体中的多次散射信号，本发明提供一种基于高斯卷积的海洋激光雷达快速仿真方法，该方法通过高斯激光束与水体高斯散射相函数的卷积，获得海洋激光雷达的多次散射回波信号。
本发明的目的通过如下的技术方案来实现：
一种基于高斯卷积的海洋激光雷达快速仿真方法，该方法包括如下步骤：
步骤1：根据水体散射相函数计算均方角
Figure BDA0003238555740000011
步骤2：根据步骤1得到的均方角
Figure BDA0003238555740000012
计算散射相函数前向峰γ；
步骤3：计算单次散射信号强度P1(z)；
步骤4：通过步骤1得到的均方角
Figure BDA0003238555740000021
步骤2得到的散射相函数前向峰γ和步骤3得到的单次散射信号强度P1(z)计算多次散射与单次散射比rn；
步骤5：根据多次散射与单次散射比rn计算多次散射信号强度Pn(z)；
步骤6：根据多次散射信号强度Pn(z)计算激光回波信号总强度Pt(z)。
作为优选，步骤1所述的根据水体散射相函数计算的均方角
Figure BDA0003238555740000022
为：
Figure BDA0003238555740000023
其中，ptrue(0)为散射角为0时的水体散射相函数。
作为优选，步骤2所述的散射相函数前向峰γ为：
Figure BDA0003238555740000024
作为优选，步骤3所述的单次散射信号强度为P1(z)：
Figure BDA0003238555740000025
其中，η为接收器探测效率；P0为激光器能量；A为探测器接收面积；o为几何重叠因子，TO为接收器光学透过率；Ta为大气透过率；Ts为海表透过率；v为光速；H为激光雷达所在高度；Δt为激光脉宽；n为海水折射率；z为海水深度；pπ(z)/4π为水体180°散射相函数；b(z)为水体散射系数；c(z′)为水体衰减系数。
作为优选，步骤4所述的多次散射与单次散射比rn为：
Figure BDA0003238555740000026
其中，ρt为激光雷达接收视场角；θ0为激光束发散角。
作为优选，步骤5所述的多次散射信号强度Pn(z)为：Pn(z)＝P1(z)rn。
作为优选，步骤6所述的激光回波信号总强度Pt(z)为：Pt(z)＝∑n＝1Pn(z)。
作为优选，所述的散射相函数为任意水体散射相函数。
本发明的有益效果是：本发明基于高斯卷积，可以快速地计算激光在水体中的多次散射信号，能够适用于任意散射相函数和非均匀水体。
附图说明
图1是本方法的流程图；
图2是实施例1的多次散射信号强度；
图3是实施例2的多次散射信号强度；
图4是实施例3的多次散射信号强度；
图5是实施例4的多次散射信号强度。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明所述实施例的实施方式相同，区别仅在于采用的激光雷达***参数不同。
本方法采用典型的激光雷达***参数作为实施例1，激光能量为P0＝10mJ，接收面积为A＝1.76m2，重叠因子O＝1，激光雷达高度为H＝300m，接收望远镜视场角FOV＝10mrad，响应度为η＝0.18，接收器光学透射率为To＝0.9，典型环境参数海水折射率n＝1.33，海表透射率为Ts＝0.95，b＝0.037m-1，c＝0.151m-1，水体相函数采用Henyey-Greenstein相函数ptrue(0)＝339.4。
本发明的具体实施方式为：
步骤1：根据水体散射相函数计算均方角
Figure BDA0003238555740000031
步骤1所述的根据水体散射相函数计算的均方角
Figure BDA0003238555740000032
为：
Figure BDA0003238555740000033
其中，ptrue(0)为散射角为0时的水体散射相函数，计算得到的
Figure BDA0003238555740000034
步骤2：根据步骤1得到的均方角
Figure BDA0003238555740000041
计算散射相函数前向峰γ；
步骤2所述的散射相函数前向峰γ为：
Figure BDA0003238555740000042
计算得到的γ＝0.5。
步骤3：计算单次散射信号强度P1(z)；
步骤3所述的单次散射信号强度为P1(z)：
Figure BDA0003238555740000043
其中，η为接收器探测效率；P0为激光器能量；A为探测器接收面积；O为几何重叠因子，TO为接收器光学透过率；Ta为大气透过率；Ts为海表透过率；v为光速；H为激光雷达所在高度；Δt为激光脉宽；n为海水折射率；z为海水深度；pπ(z)/4π为水体180°散射相函数；b(z)为水体散射系数；c(z′)为水体衰减系数。
步骤4：通过步骤1得到的均方角
Figure BDA0003238555740000044
步骤2得到的散射相函数前向峰γ和步骤3得到的单次散射信号强度P1(z)计算多次散射与单次散射比rn；
步骤4所述的多次散射与单次散射比rn为：
Figure BDA0003238555740000045
其中，ρt为激光雷达接收视场角；θ0为激光束发散角。
步骤5：根据多次散射与单次散射比rn计算多次散射信号强度Pn(z)；
步骤5所述的多次散射信号强度为：
Pn(z)＝P1(z)rn。
步骤6：根据多次散射信号强度Pn(z)计算激光回波信号总强度Pt(z)；
步骤6所述的激光回波信号总强度为：
Pt(z)＝∑n＝1Pn(z)。
图2显示实施例1的多次散射和总信号强度。从图2可以看出，激光刚进入水体时，以回波信号强度以单次散射为主。但随着深度的增加，多次散射信号逐渐增强。
实施例2采用的激光雷达***参数为：激光能量为P0＝10mJ，接收面积为A＝1.76m2，重叠因子O＝1，激光雷达高度为H＝300m，接收望远镜视场角FOV＝10mrad，响应度为η＝0.18，接收器光学透射率为To＝0.9，海水折射率n＝1.33，海表透射率为Ts＝0.95，采用二类水体参数b＝0.219m-1，c＝0.398m-1，水体相函数采用Henyey-Greenstein相函数ptrue(0)＝339.4。
实施例2的多次散射信号强度以及总信号强度如图3所示。从图3中可以看出，随着水体浑浊度的增加，海水中的多次散射信号会大幅增加，回波信号主要以多次散射为主。但水体浑浊度的增加会导致水体总的衰减变大，从而导致总回波信号随深度衰减的速度也变得更快，激光在水体中的穿透深度也会减小。
实施例3采用的激光雷达***参数为：激光能量为P0＝10mJ，接收面积为A＝1.76m2，重叠因子O＝1，激光雷达高度为H＝300m，接收望远镜视场角FOV＝0.1mrad，响应度为η＝0.18，接收器光学透射率为To＝0.9，海水折射率n＝1.33，海表透射率为Ts＝0.95，采用二类水体参数b＝0.219m-1，c＝0.398m-1，水体相函数采用Henyey-Greenstein相函数ptrue(0)＝339.4。
实施例3的多次散射信号强度以及总信号强度如图4所示。从图4中可以看出，总信号几乎和单次散射信号重合，说明在视场角非常小的情况下，激光被散射到接收器的视场角以外，从而导致接收到的回波信号以单次散射为主。
实施例4采用的激光雷达***参数为：激光能量为P0＝10mJ，接收面积为A＝1.76m2，重叠因子O＝1，激光雷达高度为H＝300m，接收望远镜视场角FOV＝10mrad，响应度为η＝0.18，接收器光学透射率为To＝0.9，海水折射率n＝1.33，海表透射率为Ts＝0.95，采用二类水体参数b＝0.219m-1，c＝0.398m-1，水体相函数采用Fournier-Forand相函数ptrue(0)＝165.7。
实施例4的多次散射信号强度以及总信号强度如图5所示。从图5中可以看出，在其他参数一致的情况下，不同的水体相函数会导致不同的结果。Fournier-Forand相函数下的水体多次散射有所减少，从而导致总回波信号的减小。在激光雷达仿真过程中需要根据具体的水体环境选择合适的散射相函数。
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实施例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实施例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于高斯卷积的海洋激光雷达快速仿真方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤1：根据水体散射相函数计算均方角
Figure FDA0003238555730000011
步骤2：根据步骤1得到的均方角
Figure FDA0003238555730000012
计算散射相函数前向峰γ；
步骤3：计算单次散射信号强度P1(z)；
步骤4：通过步骤1得到的均方角
Figure FDA0003238555730000013
步骤2得到的散射相函数前向峰γ和步骤3得到的单次散射信号强度P1(z)计算多次散射与单次散射比rn；
步骤5：根据多次散射与单次散射比rn计算多次散射信号强度Pn(z)；
步骤6：根据多次散射信号强度Pn(z)计算激光回波信号总强度Pt(z)。
2.根据权利要求1所述的基于高斯卷积的海洋激光雷达快速仿真方法，其特征在于，步骤1所述的根据水体散射相函数计算的均方角
Figure FDA0003238555730000014
为：
Figure FDA0003238555730000015
其中，ptrue(0)为散射角为0时的水体散射相函数。
3.根据权利要求1所述的基于高斯卷积的海洋激光雷达快速仿真方法，其特征在于，步骤2所述的散射相函数前向峰γ为：
Figure FDA0003238555730000016
4.根据权利要求1所述的基于高斯卷积的海洋激光雷达快速仿真方法，其特征在于，步骤3所述的单次散射信号强度为P1(z)：
Figure FDA0003238555730000017
其中，η为接收器探测效率；P0为激光器能量；A为探测器接收面积；O为几何重叠因子，TO为接收器光学透过率；Ta为大气透过率；Ts为海表透过率；v为光速；H为激光雷达所在高度；Δt为激光脉宽；n为海水折射率；z为海水深度；pπ(z)/4π为水体180°散射相函数；b(z)为水体散射系数；c(z′)为水体衰减系数。
5.根据权利要求1所述的基于高斯卷积的海洋激光雷达快速仿真方法，其特征在于，步骤4所述的多次散射与单次散射比rn为：
Figure FDA0003238555730000021
其中，ρt为激光雷达接收视场角；θ0为激光束发散角。
6.根据权利要求1所述的基于高斯卷积的海洋激光雷达快速仿真方法，其特征在于，步骤5所述的多次散射信号强度Pn(z)为：
Pn(z)＝P1(z)rn。
7.根据权利要求1所述的基于高斯卷积的海洋激光雷达快速仿真方法，其特征在于，步骤6所述的激光回波信号总强度Pt(z)为：
Pt(z)＝∑n＝1Pn(z)。
8.根据权利要求1所述的基于高斯卷积的海洋激光雷达快速仿真方法，其特征在于，所述的散射相函数为任意水体散射相函数。
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刘志鹏: ""海洋激光雷达反演水体光学参数"", 《遥感学报》, vol. 23, no. 5, 31 May 2019 (2019-05-31), pages 944 - 952 *
崔晓宇: ""采用半解析蒙特卡洛技术模拟星载海洋激光雷达回波信号的软件"", 《红外与激光工程》, vol. 49, no. 2, 29 February 2020 (2020-02-29), pages 1 - 7 *
徐沛拓: ""海洋激光雷达多次散射回波信号建模与分析"", 《遥感学报》, vol. 24, no. 2, 29 February 2020 (2020-02-29), pages 142 - 149 *
李晓龙: ""海洋激光雷达水体光学特性参数反演模型对比及分析"", 《光学学报》, vol. 37, no. 10, 31 October 2017 (2017-10-31), pages 1 - 7 *
王磊: ""蓝绿激光水下成像***的探测灵敏度分析"", 《红外与激光工程》, vol. 41, no. 1, 31 January 2012 (2012-01-31), pages 79 - 85 *
罗双: ""辐射传输计算中散射相函数截断近似方法对比分析"", 《光学学报》, vol. 37, no. 2, 28 February 2017 (2017-02-28), pages 1 - 7 *

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