基于经验模态分解和小波阈值的自适应降噪方法

针对全波形三维激光测绘雷达(LiDAR)在数字地形测量中如何降低背景噪声问题,提出了一种基于经验模态分解(EMD)和小波阈值的自适应降噪方法。在扫测的地形信号经EMD分解后,计算内蕴模式函数(IMF)与经过2/3阶重构的扫测信号之间的互相关函数,从而改善小波阈值自适应地对IMF中的高频噪声成分进行滤除。实验结果表明,与EMD重构降噪法、小波阈值降噪法和传统的EMD-小波联合降噪法比较,这种方法在对全波形LiDAR回波信号的噪声剔除和地物信号保留方面具有明显的优势,降噪后信号的误差能缩小10%~20%,波形相关性能提升5%~20%,信噪比能提升20%~40%。     

基于机载LiDAR测深水体波形的漫衰减系数提取方法

漫衰减系数是一个重要的海洋光学参数,能够为水体环境变化、水质分析以及水产养殖等方面提供基础性数据。针对目前船载实地测量效率与分辨率低、卫星遥感反演精度与分辨率较低的局限性,本文提出一种基于机载LiDAR测深水体波形的漫衰减系数提取方法。该方法首先通过分层异构模型的机载LiDAR波形分解算法得到水体散射回波,利用激光在水体中的衰减特性,构建漫衰减系数提取模型,最终获取大面积水域漫衰减系数的空间分布。采用西沙甘泉岛与江苏连云港两个航次的实测数据对所提算法进行了验证,本算法无需每个测深点的水底底部回波强度和深度即可反演得到漫衰减系数,并且在浑浊水域也可取得较好的效果,表明在中国近海利用机载LiDAR测深系统能够有效获取高精度的漫衰减系数。     

一种机载激光雷达海洋测深波形数据处理算法

双色机载激光雷达测深技术在海岸带水下地形测量方面具有明显的优势,测深数据的波形分解是其波形处理环节中的关键步骤。采用一种基于全局收敛LM(Levenberg Marquardt)算法的波形分解方法,通过综合分析近红外、浅水、深水通道的波形数据特点,设计了一种分层筛选策略并确定了合理的阈值,实现了水底和水面回波脉冲的准确检测。实测数据实验结果表明,该方法对实验区域获取的回波脉冲能够达到98%的有效检测率和87%的成功检测率。     

双频激光雷达多通道波形数据联合测深方法

激光雷达在不同水深环境下,单通道的波形数据波形差异性较大,难以准确检测真实的水面和水底回波信号。利用双频激光雷达1 064 nm近红外通道(CH1)以及532 nm不同接收视场的浅水通道(CH2)和深水通道(CH3),对不同水深的波形数据进行拟合分解,实现了多通道联合探测水面和水底回波信号。与单通道波形分解方法相比,实验结果表明,本文方法在波形有效检测率平均提高了约15%,测深精度平均提高了约11%。     

一种机载激光测深回波信号的处理方法

利用回波信号的物理性质代替几何性质,将Darcy渗流方程与非线性扩散方程耦合,提出了一种基于多物理场的信号处理方法,通过有限差分方法进行离散化处理,实现对机载激光测深回波信号的处理。在此基础上,基于激光在海水中的传播特性,建立数学关系式,对机载532 nm激光测深系统回波信号进行数值模拟,利用多物理场信号处理方法对仿真模拟数据进行处理,并与传统滤波方法比较。实验结果表明,该方法可以很好地应用于机载激光回波信号的处理中,通过比较得出多物理场方法精度较高,算法稳定,验证了该方法的可行性与有效性。     

HY-2A卫星高度计不同重跟踪方案对反演海浪有效波高的影响

本文基于Amarouche的二阶理论回波模型,导出了带有偏度系数的二阶理论回波模型;针对HY-2A卫星高度计波形特点,引入了奇异值分解滤波,并根据最大似然估计算法反演参数的不同得到6种重跟踪方案;利用其中的五参数方案处理该波形数据,获得海面散射点高度概率密度函数中偏度的合理取值为0.15;将结果分别与浮标、Jason-1和HY-2AIDR有效波高对比,分析6种方案反演有效波高的准确度,确定了MLE4_SVD(波形重跟踪之前进行滤波)对HY-2A高度计重跟踪更适合反演有效波高。     

利用回波波形特征实现激光雷达的水陆分离

针对双频测深激光雷达数据的特点,研究了利用激光回波波形特征实现点云数据水陆分离的方法。激光和水体的相互作用通常会导致激光回波波形的展宽,与仅在空气中传播的陆地激光回波有明显区别。首先采用高斯函数对回波数据进行波形模拟,用期望方差最大法求解高斯函数的最优参数,得到波形拟合特征参数,随后以绿波段的波宽之和以及红波段与绿波段振幅比值这两个指标作为水陆分离的特征参数,采用最佳阈值分割法得到阈值参数并实现水陆分离,最后采用遥感影像辅助生成准确的水陆点云类别,评价本文方法的分类精度。实验结果表明,基于回波波形特征和阈值分割的方法能够较为准确地实现双频测深激光雷达数据的水陆分离,数据正确率优于94%。     

联合小波和NLM滤波的侧扫声纳回波信号降噪

为进一步降低侧扫声纳回波信号中非高斯分布的乘性噪声,获取更佳效果的侧扫声纳图像,提出了一种利用小波和NLM(nonlocal means)滤波的组合降噪方法。首先采用同态变换将侧扫声纳回波ping信号中的乘性噪声转换为加性噪声,然后利用小波阈值和NLM滤波对侧扫声纳每ping回波数据实施降噪处理,最后经过小波反变换和指数变换获取降噪后信号和图像。仿真实验和实测数据验证结果表明,该方法适用于侧扫声纳回波信号处理,可以获取较好的图像降噪效果。     

多波束测深数据趋势面滤波阶次选择算法研究

海底地形深度数据滤波常用的方法有:交互滤波、中值滤波、趋势面滤波等。基于粗大误差判别3σ准则,研究测深数据趋势面滤波的方法,提出了海底复杂地形分区和滤波阶次自动选择算法,解决了模型参数需经验设定而造成的滤波效果不确定问题。系统可以客观地检测和剔除粗差,得出较高精度的三维海底地形数据,对多波束测深数据滤波的应用具有一定参考价值。     

基于GPS-RTK技术的波浪能发电装置结构动态位移监测及滤波方法

利用全球定位系统实时差分技术（Global Positioning System Real-Time Kinematic,GPS-RTK）对波浪能发电装置进行结构变形监测得到的信号会存在噪声。针对这个问题,本文提出一种结合巴特沃斯（Butterworth）滤波器和自相关函数经验模态分解（Empirical Mode Decomposition,EMD）的滤波降噪算法,利用动态位移仿真信号进行了实验验证。结果表明：该滤波算法能够有效降低装置动态位移监测数据中噪声的影响,利用滤波算法对仿真信号进行降噪处理之后,可以提取出信号中包含的结构固有频率。     

用于海底目标识别与底质分类的多波束水体波形预处理

多波束水体数据是多波束系统获取的最原始数据,记录了波束从发射到接收整个过程全部的反向散射强度信息,可以为目标识别、水下栖息环境探测等提供重要的数据支撑.目前,针对多波束水体强度时间序列所表现的波形信息的处理及研究仍处于起步阶段,另外水体波形数据易受噪声影响,且存在明显的入射角效应问题,对此,本文提出了一种基于分区异构的...     

Shenzhou-4 spaceborne altimeter waveform processing and significant wave height retrieval

1IntroductionSZ-4spaceborne,launched on30December2002,is the fourth unmanned spaceborne of China.Multimode microwave remote sensor is its primaryload,of which the altimeter mode is the most impor-tant one.During about five months,a large numberofSZ-4altim…     

SARAL/AltiKa Waveform Analysis to Monitor Inland Water Levels: A Case Study of Maithon Reservoir,Jharkhand, India

In the present study, behavior of the SARAL/AltiKa (Satellite with ARgos and ALtiKa) waveforms over Maithon Reservoir (～65 km² of surface area), Jharkhand, India, has been studied. The estimated water level has been compared with the in situ measurements at hydro-gauging station at the dam site. The problem of minimization of errors in the water level retrieval from AltiKa measurements has been resolved by improvement of the retracking method. A real retracking gate detection algorithm based on statistical analysis harnessing various physical parameters of the waveform has been developed, which has been applied to SARAL/AltiKa waveforms over the Maithon reservoir. Comparing the in-situ measurements with altimetry data (from cycle 1, 19 March 2013 to cycle 12, 8 April 2014) showed that it is crucial to improve the retracking method. Results showed accuracy of water level monitoring increased by nearly 76% by the newly developed waveform retracking algorithm over non-retracked water level. We also compared this new method with the existing ice-1 algorithm and found that with the new method there is improvement of ～27% over ice-1 retracked water level. The correlation coefficient values and root mean square values without retracking, with ice-1 algorithm and with newly developed retracking algorithm were 0.87, 0.91, and 0.95, and 8.12 cm, 2.08 cm, and 1.42 cm, respectively. This shows the proposed retracker performed better than ice-1. The retracking procedure helped in outliers' identification and substitution and with waveform fitting and waveform parameter extraction. This algorithm should have good performance capability for retrieving water level over inland water bodies like Maithon reservoir.     

基于辛几何算法的高斯束叠前深度偏移

辛几何算法是专门针对动力学过程设计的算法,以提高动力学问题求解的精度与效率。高斯束偏移过程中的运动学与动力学射线追踪,从物理上讲是一个动力学过程,可以利用辛几何算法对其进行优化。本文将基于辛几何算法的运动学射线追踪引入高斯束叠前深度偏移中,并在推导了动力学射线追踪方程组的辛差分格式基础上,实现了基于辛几何算法的高斯束叠前深度偏移。模型实验表明,基于辛几何算法的运动学射线追踪,其效率与精度相比常规算法都具有一定优势,而基于辛几何算法的高斯束叠前深度偏移方法能够对复杂构造模型精确成像。     

Low complexity adaptive equalizers for underwater acoustic communications

Interference signals due to scattering from surface and reflecting from bottom is one of the most important problems of reliable communications in shallow water channels. To solve this problem, one of the best suggested ways is to use adaptive equalizers. Convergence rate and misadjustment error in adaptive algorithms play important roles in adaptive equalizer performance. In this paper, affine projection algorithm （APA）, selective regressor APA（SR-APA）, family of selective partial update （SPU） algorithms, family of set-membership （SM） algorithms and selective partial update selective regressor APA （SPU-SR-APA） are compared with conventional algorithms such as the least mean square （LMS） in underwater acoustic communications. We apply experimental data from the Strait of Hormuz for demonstrating the efficiency of the proposed methods over shallow water channel. We observe that the values of the steady-state mean square error （MSE） of SR-APA, SPU-APA0 SPU-normalized least mean square （SPU-NLMS）, SPU-SR-APA0 SM-APA and SM-NLMS algorithms decrease in comparison with the LMS algorithm. Also these algorithms have better convergence rates than LMS type algorithm.     

目标触底瞬态地震波信号的检测

目标触底过程中通常会产生强烈的瞬态地震波信号,通过对此类地震波信号的监测、处理和分析,能够帮助判断该信号的产生是否是由异常活动产生的,并且能够根据信号分析相关信息,实现早期预警, 从而做出快速响应。 由于双谱检测具有很好的抗高斯干扰能力,对高斯平稳随机过程和试验模拟目标触底瞬态地震波信号的双谱特性进行了分析,并在高斯背景中对试验采集的瞬态信号进行了检测仿真,仿真试验结果表明:在高斯背景的干扰下,双谱检测能够有效实现对瞬态信号的检测^[1] 。     

Sea surface temperature retrieval based on simulated microwave polarimetric measurements of a one-dimensional synthetic aperture microwave radiometer

Compared with traditional real aperture microwave radiometers, one-dimensional synthetic aperture microwave radiometers have higher spatial resolution. In this paper, we proposed to retrieve sea surface temperature using a one-dimensional synthetic aperture microwave radiometer that operates at frequencies of 6.9 GHz, 10.65 GHz,18.7 GHz and 23.8 GHz at multiple incidence angles. We used the ERA5 reanalysis data provided by the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts and a radiation transmission forward model to calculate the model brightness temperature. The brightness temperature measured by the spaceborne one-dimensional synthetic aperture microwave radiometer was simulated by adding Gaussian noise to the model brightness temperature.Then, a backpropagation(BP) neural network algorithm, a random forest(RF) algorithm and two multiple linear regression algorithms(RE1 and RE2) were developed to retrieve sea surface temperature from the measured brightness temperature within the incidence angle range of 0°–65°. The results show that the retrieval errors of the four algorithms increase with the increasing Gaussian noise. The BP achieves the lowest retrieval errors at all incidence angles. The retrieval error of the RE1 and RE2 decrease first and then increase with the incidence angle and the retrieval error of the RF is contrary to that of RE1 and RE2.     

基于分数阶傅里叶变换的水下目标速度估计

在高斯白噪声背景下,匹配滤波器作为线性调频信号的最优检测器,在水声信号处理中被广泛应用。 当发射信号为线性调频信号时,由水下目标径向速度引起的多普勒频移会造成回波和样本之间失配, 使匹配滤波器的检测性能下降,增加了目标速度估计的难度。 利用分数阶傅里叶变换对于线性调频信号的聚焦特性,提出了应用分数阶傅里叶变换的水下运动目标线性调频回波检测算法,完成对目标速度的估计, 推导目标运动速度与分数阶傅里叶变换阶数之间的关系,并对测量结果进行误差分析。 仿真测试表明,该算法可有效地估计混响背景下的目标径向速度,且具有良好的估计性能。