[發(fā)明專利]一種單波長機(jī)載測深雷達(dá)波形信號提取方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110034193.2
• 申請日: 2021-01-12
• 公開（公告）號: CN112859011B
• 公開（公告）日: 2022-06-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊必勝;紀(jì)雪
• 申請（專利權(quán)）人: 武漢大學(xué)
• 主分類號: G01S7/292
• 分類號: G01S7/292;G01S7/35;G01S7/41;G01S7/48;G01S7/487
• 代理公司: 武漢科皓知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 王琪

本發(fā)明公開了一種單波長機(jī)載測深雷達(dá)波形信號提取方法，構(gòu)建基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的波形分類模型將單波長機(jī)載測深雷達(dá)全波形進(jìn)行識別，包括異常波形、過飽和波形、陸地波形、海面波形和水下波形。對水面回波和異常波形進(jìn)行剔除，通過波形分割得到波形片段，構(gòu)建波形片段分類模型SAPSO?ELM對波形片段進(jìn)行識別，對包含有峰值的波形片段進(jìn)行最大峰值探測，通過與波形類型相結(jié)合對沒有正確波峰識別的波形進(jìn)行露西?理查德森露西反卷積算法進(jìn)行信號提取。實(shí)驗(yàn)表明該方法在波形信號探測中表現(xiàn)高效、準(zhǔn)確和適應(yīng)性強(qiáng)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于信號處理領(lǐng)域，具體涉及一種單波長機(jī)載測深雷達(dá)波形信號提取方法。

背景技術(shù)

沿海管理是世界各國決策者和科學(xué)家面臨的一個(gè)復(fù)雜問題。由于需要覆蓋的水域廣闊，監(jiān)測海岸可能會很困難。在海岸帶環(huán)境中獲得精確、高密度的水深和地形測量是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。深和淺水域水深數(shù)據(jù)主要來源于回聲測深儀(單和多波束)，雖然在低能量0-5m小深度的沿海地區(qū)，船不能方法，通常采用經(jīng)典的測量技術(shù)，如全站儀(TS)或?qū)崟r(shí)運(yùn)動全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(RTK-GNSS)，或通過部署無人水面艦艇(USV)。此外，衛(wèi)星測深可以在擴(kuò)大的地區(qū)提供中等分辨率和低成本的測深資料，但是，方法的精度除其他外，與深度有關(guān)，必須始終得到地面真實(shí)數(shù)據(jù)(通常通過回聲探測方法)的支持。

機(jī)載激光測深(ALB)是一種極具吸引力的淺水水體測深技術(shù)，它具有較高的捕獲率和測點(diǎn)密度。此外，激光雷達(dá)測深是一種縮短測量時(shí)間、降低測量成本的工具。傳統(tǒng)的激光雷達(dá)測深系統(tǒng)采用近紅外和綠色激光，如Optech SHOALS-1000/3000、CZMIL、CZMILNova、Titan；Leica Hawk-Eye II/III，Chiroptera II，REIGL VQ-880G。近紅外是用來確定的位置的水面和綠色，以實(shí)現(xiàn)滲透水。通過比較兩種激光的飛行時(shí)間，系統(tǒng)可以確定綠色激光通過水的傾斜范圍為每一個(gè)發(fā)射的激光射擊。雙波段、大功率激光發(fā)射器和多通道、高靈敏度信號接收裝置的采用造成了高昂的硬件成本，在很大程度上限制了機(jī)載激光測深技術(shù)的大規(guī)模推廣。單波長激光雷達(dá)測深系統(tǒng)的傳感器工作波長為532nm，由于其成本低、重量輕，因此是用于淺水測深的理想選擇，如NASA EAARL，F(xiàn)ugro LADS Mk3，REIGL VQ-820G，F(xiàn)ibertek CATS，NCALM Aquarius。這類設(shè)備發(fā)射的激光脈沖能量通常比較低，只能穿透10至15米的淺水，但最大可探測深度方面的妥協(xié)換來了較高的脈沖發(fā)射頻率。在相同的飛行條件下，單波段機(jī)載激光測深系統(tǒng)獲取的水下激光點(diǎn)密度可以達(dá)到雙波段系統(tǒng)的數(shù)倍甚至更多。

實(shí)際上，單(綠色)波長測深激光雷達(dá)系統(tǒng)是用單一的激光波長工作的，因此不能用單次獨(dú)立的發(fā)射來確定光在水中的軌跡部分。該傳感器地面和水深面的混合給波形數(shù)據(jù)處理帶來了挑戰(zhàn)。更重要的是，一些激光射擊將只產(chǎn)生水面返回，在淺水區(qū)，一些脈沖可能只產(chǎn)生底部返回，而其他一些可能產(chǎn)生多種類型的返回。水上水下波形的對應(yīng)坐標(biāo)解算方式不同，波形分類正確是波形分解的重要保障。因此，選擇合適的波形分類和分解處理方法對保證精度極為重要。概括起來單波長ALB波形信號探測存在以下幾個(gè)問題：(1)波形混雜，不易于進(jìn)行水-陸分離；(2)波形信號探測模型不能適應(yīng)于所有波形；(3)傳統(tǒng)的波形信號探測模型耗時(shí)，效率低；(4)傳統(tǒng)的波形信號探測模型往往不能適應(yīng)于所有波形信號。

發(fā)明內(nèi)容

為解決上述問題，得到準(zhǔn)確的點(diǎn)云坐標(biāo)結(jié)果，本研究充分考慮了波形類別在信號探測中的重要性，以及目前的波形信號探測的局限性，提出了一種單波長機(jī)載測深雷達(dá)波形信號提取方法。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：第一步：構(gòu)建卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行波形分類，刪除不必要的波形，對有價(jià)值的波形信號進(jìn)行進(jìn)一步處理；第二步：波形小波離散變換特征提取，利用滑動窗口對波形進(jìn)行分割，并將波形和對應(yīng)的小波散射矩陣作為特征矩陣；第三步：構(gòu)建波形片段分類模型進(jìn)行波形片段分類，獲得目標(biāo)類別波形；第四步：峰值提取。其具體步驟如下：

步驟一，構(gòu)建卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行波形分類，刪除不必要的波形，對有價(jià)值的波形信號進(jìn)行進(jìn)一步處理；