ICESat-2激光雷达海面信号提取和海浪要素计算

美国NASA于2018年发射的ICESat-2 (The Ice, Cloud, and land Elevation Satellite-2)卫星上搭载的ATLAS (Advanced Topographic Laser Altimeter System)是目前为止全球唯一一个对地观测的星载光子计数激光雷达,具有较高的轨向空间采样率,为用遥感的方法探测海浪要素提供了可能。光子计数激光雷达用于海浪探测的前提是能够准确地提取来自海面的信号光子,并确定瞬时的海面廓线。迄今为止,用星载光子计数激光雷达探测海面形态和海浪要素的研究鲜见报道,也缺少专门针对海面信号光子的提取方法。基于海面信号光子的分布特点,文中提出了一种新的信号提取算法：首先通过直方图统计及自适应的阈值选取完成对海面回波光子的粗去噪;然后基于激光雷达光斑尺寸和海面波动特点,选取合适的搜索邻域计算信号点和噪声点密度,根据两者点密度差异对信号光子和噪声光子分类;最后用高斯函数拟合的方法进一步去除密度较大的后向散射噪声光子,最终得到来自海面反射的信号光子。利用上述算法提取了太平洋7个不同海况区域的海面信号光子和瞬时海面廓线并进一步计算...     

基于自然地表的星载光子计数激光雷达在轨标定

在轨标定技术是影响星载激光雷达光斑定位精度的核心技术之一。介绍了目前国内外星载激光雷达的在轨标定技术发展现状,分析了各类在轨标定技术的特点。针对新型的光子计数模式星载激光雷达的特性,提出了一种基于自然地表的星载光子计数激光雷达在轨标定新方法,使用仿真点云对标定算法的正确性进行了验证,并分别使用南极麦克莫多干谷和中国连云港地区的地表数据和美国ICESat-2卫星数据进行了交叉验证实验,实验结果表明:算法标定后的点云相对美国国家航空航天局提供的官方点云坐标平面偏移在3 m左右,高程偏移在厘米量级。文中还利用地面人工建筑等特征点对比了算法标定后的点云与官方点云之间的差异,最后对基于自然地表的在轨标定方法的精度以及标定场地形的影响进行了讨论。     

星载钠荧光多普勒激光雷达性能分析

星载钠荧光多普勒激光雷达可以用来测量全球的中间层顶及低热层区域的大气风场、温度及钠原子数密度等。为了从理论上分析星载钠荧光多普勒激光雷达的可行性,该文依据激光雷达方程,对星载钠荧光多普勒激光雷达的回波信号强度以及大气参数测量精度进行仿真计算。分析结果显示在使用400 km轨道高度,30.0观测角度,9.0 W激光发射功率,1.0 m接收望远镜口径,2.0 km垂直距离分辨率,30.0 s信号累积时间情况下,可获得0.8 m/s视线风速测量精度,1.5 m/s水平风速测量精度和2.5 K温度测量精度。      

ICESat-2星载光子计数激光雷达数据处理与应用研究进展

ICESat-2/ATLAS系统首次采用微脉冲多波束光子计数激光雷达技术，其在探测方式、数据处理方法、应用的广度和深度等方面与ICESat-1/GLAS存在明显差异。首先介绍了ICESat-2及ATLAS的性能指标、数据特点和产品信息，详细分析了光子点云去噪和分类两个关键技术，以及各算法的适应性及难点，总结了ICESat-2数据在冰盖和海冰高程测量及其变化监测、地面高程提取、森林高度提取和生物量估算、湖泊水位和蓄水量变化监测等方面的应用，最后展望了光子数据处理和应用的发展趋势和前景。     

量子增强星载光子计数激光雷达阈值检测性能

星载光子计数激光雷达在遥感探测、导航测距等领域发挥着重要作用。依据光子数可分辨激光雷达的工作原理,建立了基于光量子统计理论的星载光子数可分辨激光雷达接收端的量子阈值检测模型。方案利用先进的光子数可分辨探测器件滤除未能达到最小检测信噪比的光子,并根据光量子统计规律重构信噪比检测公式,接收端的最小可检测信噪比相对经典光强检测方案进一步降低。同时分析了新型量子阈值检测方案的检测概率与虚警概率,数值仿真的结果表明,基于光子数可分辨探测的量子阈值检测方案的信噪比在少光子到达的条件下优于经典光强检测方案,且利用量子压缩态发射源可进一步增强量子阈值的检测性能。最后,进行了星载光子数可分辨激光雷达测高的仿真实验,结果表明在少量返回光子信号情形下的量子阈值检测方案的性能获得了显著增益。     

基于蒙特卡罗方法的波动水面对激光水下目标探测的影响

机载海洋激光雷达在探测水下目标时,水面波动会影响向下传输的激光光束质量。基于蒙特卡罗方法定量分析了光子在目标平面上的空间分布,以及光子返回海气界面的空间分布和时间分布。模拟结果表明,随着风速的增加,光子在目标平面上的空间分布越来越偏离高斯分布;而光子返回海气界面的空间分布则严重偏离高斯分布,且风速的影响已经不再占主导地位。根据计算获得的光子返回海气界面的时间分布,发现当风速较大时,激光雷达的探测深度降低。     

分子散射对星载测风激光雷达Mie通道的影响

多普勒测风激光雷达利用大气中粒子的后向散射信号谱测量风速,但分子和气溶胶后向散射强度和光谱宽度差异较大,所以在实际测量中需要根据分子和气溶胶的垂直分布情况选择不同的信号。当选择气溶胶散射信号反演风速时,会受到分子散射信号的影响。本文研究了分子散射对星载多普勒测风激光雷达Mie通道风速反演的影响问题,并进行了仿真模拟,结果表明,当直接利用探测器接收到的原始信号进行风速反演时,分子散射信号会增大反演误差；因此基于探测器所有通道上光子数最小的一个通道上的光子全部来自于分子散射的假设,提出了一种减小分子散射信号对Mie通道风速反演干扰的方法,通过模拟表明,利用该方法后,对流层内风速反演精度明显提高,相对误差从原来的20%~30%减小到10%以内,除近地层以外的相对误差小于5%；但平流层内的误差几乎不发生变化。     

面向ICESat-2单光子激光雷达的陆地目标测距误差分析

单光子激光雷达所获取的光子事件存在随机分布的特点,使得其激光测距值出现不确定性,从而降低了单光子激光雷达的测距精度。在不减小采样分辨率的情况下,采用累积邻近多光斑的光子事件来构建光子累积直方图,并基于反算的目标响应函数的时间重心来确定激光测距值。针对ICESat-2单光子激光雷达,以测距均方根误差（RMSE）和平均绝对误差（MAE）为性能指标,构建出一种综合考虑陆地地形、累积光斑数目和回波光子数等多因素对其测距误差影响的评估方法。同时,选取ICESat-2过境美国犹他州西瓦利城的某观测条带的随机地形数据进行验证分析。结果表明,所提出的激光测距值解算方法能够使该条带的测距RMSE值由114.25 cm降低到63.84 cm,MAE值由70.97 cm降低到48.52 cm,均优于ICESat-2数据产品提供的137.96 cm RMSE值和97.24 cm MAE值,这对提升单光子激光雷达在陆地区域的测距精度具有一定的借鉴作用。     

星载微脉冲光子计数激光雷达的探测性能仿真分析

星载微脉冲光子计数激光雷达能够实现对地面目标的高重频、多波束探测,有效提高了激光雷达在轨测量的采样密度和覆盖宽度,满足全球高效高精度测绘的需求。依据微脉冲光子计数激光雷达的工作原理,建立了基于多像元光电倍增管（PMT）的星载微脉冲光子计数激光雷达的探测仿真分析模型,并对典型探测过程进行了仿真分析。结果表明,多像元PMT像元数的增加能够明显降低激光雷达的首光子效应,提高测距精度;激光雷达的测距标准差随地形坡度增大而明显增大;对于复杂地形,增加像元数和回波光子数,光子计数点云能够更准确描述地形轮廓的分布特征。同时,机载飞行试验验证了在复杂地形条件下,多像元PMT能够显著增加有效回波光子计数点,准确有效地反映了被测地形的轮廓特征,实现复杂地形下的高精度光子计数测距,验证了仿真分析结果的正确性。     

光子计数激光雷达游走误差与时间抖动的研究

光子计数激光雷达具有灵敏度高、体积小等特点,是未来远距离探测激光雷达的发展方向。光子计数激光雷达在探测时会产生游走误差,从而影响系统的测距精度。文章就游走误差与探测器时间抖动之间的关系进行了理论分析与实验验证。首先,基于激光雷达方程、单光子探测器时间抖动与光子计数探测的概率统计特性,建立了激光回波信号与探测器时间抖动的数学模型;然后使用该模型进一步推导了探测器时间抖动与游走误差之间的关系,计算分析与仿真实验都表明:系统的游走误差与探测器时间抖动呈正相关关系。最后,使用拥有不同时间抖动的单光子探测器进行了实验,实验结果表明:当探测器时间抖动标准差分别为15,350和1152ps时,游走误差分别为0.88,2.55和12.56cm。     

国外星载激光雷达研究进展

星载激光雷达可以获取全球的高精度地球探测数据,在对地观测中起到越来越重要的作用。介绍了美国和欧洲星载激光雷达的发展历程。从探测原理、探测系统和探测结果等方面分别对地球激光测高系统星载激光雷达、正交偏振云-气溶胶星载激光雷达以及大气激光多普勒测风星载激光雷达进行了详细介绍。并对3台星载激光雷达的接收望远镜的结构和材料进行了分析。可以为我国星载激光雷达的研究提供参考。     

星载激光雷达探测海面风速昼夜差异研究

采用夜间数据反演海面风速已经取得较好的研究成果。由于受到太阳直射光和天空背景辐射等因素的影响,星载激光雷达信号在白天的信噪比较差。基于已有的反演关系模型,采用CALIPSO星载激光雷达532 nm通道2007年1月、4月、7月和10月的单脉冲昼夜数据,将AOD数据用来做大气双程透过率校正,以准同步的AMSR-E v7版本的海面风速为真值,进行反演海面风速的昼夜对比研究。研究结果表明,采用白天数据反演海面风速是可行的。通过采用恰当的关系模型来反演白天风速可以提高探测精度。     

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

采用半解析蒙特卡洛方法,开发了一套星载海洋激光雷达回波信号的仿真系统。通过输入激光雷达系统参数和仿真的环境参数,该系统能够模拟具有不同光学特性的大气和海洋的激光雷达回波信号。同时该仿真系统设计了用户友好的软件界面方便用户对输入参数进行操作,并直观地看到输出结果。利用该系统进行了多种仿真,例如不同类型水体以及不同散射相函数的情况,并将仿真结果与理论的激光雷达信号做了对比,具有较高的一致性。该系统对星载海洋激光雷达探测机理的研究有一定的指导意义。     

梯度下降VAD方法的单多普勒激光雷达风场探测技术

速度方位显示（Velocity-Azimuth Display,VAD）方法作为一种基于单部激光雷达和同一高度风场均匀的假设前提来反演风场的通用方法已经在业界得到广泛应用,但其对激光雷达扫描方位角的范围和径向个数的严格要求在一定程度上影响了激光雷达的测量效率。基于此,提出了一种基于梯度下降算法的VAD风场反演方法。使用梯度下降算法代替目前VAD中的傅里叶级数展开求解的方法。在分析了算法收敛性影响因素的基础上,确定了算法迭代步长和迭代次数,从而改善了算法的收敛性,提高了运算速度。与标准风杯风速计（IEC 61400-12-1）的同步对比实验结果显示:该方法在激光雷达扫描范围降低到60和扫描径向个数降低到7个的情况下,10 min平均的风速、风向相关系数达到0.99,风速标准偏差、偏差分别为0.52 m/s和0.02 m/s,风向的标准偏差和偏差分别为5.1和3.6。结果证明了该方法在提高激光雷达测量效率的同时仍能保证其准确性,具有更强的适用性,可有效提升系统对于动态大气风场监测能力。     

临近空间多普勒激光雷达技术及其应用（特邀）

研制了车载钠荧光散射多普勒激光雷达和车载532 nm瑞利散射多普勒激光雷达用于测量临近空间大气温度和风场。在钠荧光散射多普勒激光雷达中使用了三频比率多普勒测量方法获得80~100 km的温度和风场。在532 nm瑞利散射多普勒激光雷达中,使用碘分子吸收线边缘技术测量70 km 以下的风场,使用积分方法测量80 km以下的温度。在距离分辨率为1 km、时间分辨率为1 h情况下,40 km处的大气温度、风速测量不确定度约为0.2 K和0.4 m/s;70 km处约为1.5 K和5.5 m/s;92 km处约为0.3 K和1.0 m/s。这两部激光雷达已经在北京、青海、甘肃等地进行了长期观测,应用于临近空间环境特性研究。     

星载激光雷达发展概况

本文对近年来星载激光雷达的发展概况作了简略评述。内容包括星载激光雷达的特点、测量原理、近年进展等。对美、日、欧洲、俄罗斯等国星载激光雷达的进展情况，以及星载激光雷达中应用的各种激光器，如Ｎｄ：ＹＡＧ激光器，Ｈｏ、Ｔｍ、Ｅｒ激光器，钛宝石激光器，Ｃｒ：ＬｉＳＡＦ激光器等作了着重评述。