机载LiDAR波面重建与多峰方向谱分析：海洋工程监测新方法

《Ocean Engineering》：Experimental and numerical study of stainless steel beams with different opening shapes in the marine environment

本文提出基于机载LiDAR（Light Detection and Ranging）的波浪特征分析框架，通过平面、抛物面和三次曲面拟合方法重建局部波面，采用韦尔奇法（Welch Method）、多锥形法（MTM）和自回归模型（Parametric AR Method）进行频谱分析，并利用扩展最大熵原理（EMEP）解析多峰方向能谱分布。该研究为海洋工程动态监测提供了高精度、自动化的波浪观测解决方案。

　　

多波束机载LiDAR数据采集

本研究采用工作波长为905纳米的机械LiDAR系统。该传感器配备32对激光发射-接收模块，由5赫兹转速的电机驱动，可从不同高度对海面进行360°全方位扫描。系统采用单回波模式和飞行时间（ToF）测距原理，每秒采样点数高达128万点，并通过以太网接口保持稳定的数据传输。

数据预处理

本研究以激光雷达水平位置为中心点（0,0），分析半径范围设定为0.4米≤R≤2.4米，半径间隔为0.2米。论文分析采用多组雷达点云图像，每组包含5000至9000（N_T）帧LiDAR点云图像，每帧采样时间为0.1秒，对应每组数据集的分析时长约500-900秒。由于水面反射率的动态变化...

三维波面重建

鉴于LiDAR点云数据集中分布于图1所示的弧形区域，其他区域数据稀疏，本研究选取x∈[-2米,2米]和y∈[-10米,10米]的矩形区域作为点云提取和后续波面重建的兴趣区域（详见表1）。本节通过最小二乘法估算波面表达式中的振幅参数，实现三维波面的精确重建。

结论与讨论

本研究建立了基于LiDAR的波浪场特征分析完整框架，重点针对海洋工程应用实现频谱和方向特征的精准捕捉。通过平潭岛东部海域的实地测量，完整实施了从数据采集、预处理到波面重建、频谱分析和方向特征提取的全流程工作。为有效缓解...