Satellite Laser Altimeter for Measurement of Ice Sheet Topography

We describe the design and expected performance of a spaceborne laser altimeter based on a nadir-oriented laser transmitter, a 0.5-m-diam receiver telescope, and a high-accuracy satellite attitude measurement system. This instrument is designed for high-resolution mapping of polar ice sheet topography where conventional radar altimeters have difficulty. This instrument could also provide useful data on cloud-top heights and the ocean surface.     

NASA's plans to observe the Earth's atmosphere with lidar

The requirements for lidar observations of the Earth's atmosphere and the characteristics of the systems to provide these observations are discussed. The planned Earth Observing System (Eos) will offer platforms with adequate mass and power capabilities from which to make these lidar observations. Planned Eos lidar applications include the laser atmospheric wind sounder (LAWS), and the global backscatter experiment planned for it; the lidar atmospheric sounder and altimeter (LASA); and the ESA research facility instrument ATLID (atmospheric lidar). The laser requirements of all of the Eos laser instruments are presented     

无线电／激光高度表复合测高技术研究

无线电高度表和激光高度表是巡航导弹上用于探测地形高度的2种主要传感器,激光高度表具有探测精度高、抗电磁干扰能力强的优点;而无线电高度表不受天气和环境的影响,可全天候使用。因而,将无线电高度表与激光高度表进行复合探测,有利于提高地形探测精度,并增强系统抗干扰能力。在高度表测量方程的基础上,基于卡尔曼滤波公式和简单融合算法,给出了无线电／激光多传感器的滤波及融合模型;并利用M atlab对多传感器融合效果进行了仿真。仿真结果表明：基于多传感器融合的高度测量系统的精度比单个传感器的测量精度要高,且系统的稳定性和可靠性更强,所设计的基于无线电／激光高度表多传感器数据融合的高度测量算法是有效的。     

全固态激光技术在航天领域的应用

回顾了空间固体激光应用系统的发展,以激光雷达和激光测高仪为主．介绍了国外几种典型应用系统的性能、指标及其全固态激光发射器的关键技术。最后介绍了我国探月工程中激光测高仪的研制情况。     

高分七号星载激光测高仪在轨几何检校与精度评估

高分七号卫星（GaoFen-7, GF-7）搭载了我国首台正式用于对地观测的星载激光测高仪,其测高精度备受国内外关注。文中系统性介绍了基于地形匹配、单片足印影像以及地面探测器阵列的3种检校方法,并利用同一地区GF-7星载激光数据,分别进行不同检校试验与验证,对比和分析3种不同检校试验后GF-7星载激光测高仪的高程测量精度。结果表明,基于地面探测器阵列的检校方法精度最高。以高精度机载LiDAR点云作为地面验证数据,GF-7星载激光测高仪经检校后波束1精度达到0.177 m,波束2为0.157 m;受限于检校所用的参考数据精度不足,其他2种检校方法精度相对较低,测高精度达到0.8 m。     

激光测高技术的发展趋势

激光测高技术作为一种的先进测量手段,已广泛应用于地形地貌测绘、地球科学研究、航天工程、城市规划、森林资源调查等诸多方面。虽然激光测高技术已相对成熟,但随着激光技术的发展和应用需求的拓展,激光测高技术仍有很大的发展空间。通过对国外近期研制或正在研究的几个具体激光测高设备的介绍和分析,总结了激光测高技术的一些典型技术特点和发展趋势,介绍了多光束发射和接收、单光子探测、多回波测量和多功能集成等技术在激光测高仪的应用。这对开展新型激光测高技术的研究具有一定参考价值。     

激光高度计地面定标模拟系统设计

星载激光高度计广泛地用于多种地形地貌的科研分析,例如冰层和植被覆盖变化。针对星载激光高度计数据的定量化应用,研究了激光高度计的定标方法,并设计了激光高度计地面定标模拟系统加以验证。该系统包含探测器阵列和高精度脉冲计时系统两部分,用于定标星载激光高度计的对地指向角和时间戳。对定标系统的性能进行实验测试和软件仿真,结果显示：探测器能够探测平均能量3 nJ/cm2的光斑,探测范围为1~16 nJ/cm2,计时系统计时精度为1.25 ns。     

大气传输介质引起的激光测高仪回波能量衰减分析

阐述了大气传输介质引起激光测高仪回波能量衰减的机制;采用中纬度地区晴朗和霾雾天气下标准大气模式数据,计算了各衰减因素对1.064μm和0.86 μm激光的影响程度和大气斜程透射率随测高仪平台倾角的变化情况.为测高仪设计和对地观测应用提供了依据.     

星载激光测高仪海洋表面回波计算的理论模型

不同地表目标的模拟回波波形对测高仪系统参数设计具有重要意义,而海洋回波参数在Tsai之后很少被研究。根据菲涅耳衍射理论、海洋表面镜面反射性质以及海洋表面波高和斜率的统计规律,推导出与Tsai结果不同的近天顶方向入射时星载海洋测高仪探测器输出的回波解析表达式和回波总光子数;并用该推导结果建立了适用于激光测高仪亚毫弧度量级发散角的回波解析式。将模拟波形与地球科学激光测高系统(GLAS)真实海洋回波做对比,其能量、脉宽、振幅和形状都非常接近,误差均小于6%;分析得出海洋测高仪回波与测高系统参数和海平面上方平均风速有关,以GLAS参数为例,在风速大于12m/s的条件下将很难收到有效海洋回波。该结论对海洋激光测高仪的系统设计参数及海平面上方风速的反演提供了重要的理论依据。     

星载激光测高的半导体泵浦全固化激光器设计

星载激光测高系统以独特的应用背景而备受关注，其整体性能对关键件激光器的技术参数提出了高需求。分析了500 km轨道高度星载激光测高模型对激光器的技术指标需求，并在此基础上对LD泵浦全固化激光器进行了优化设计和实验研究，采用了侧向半圆柱面LD阵列与热沉交错分布的泵浦几何，实现了整体上的增益和热传导均匀效果，采用角锥棱镜高斯反射率镜谐振腔选取低横模结构，获得了高机械稳定性，高热稳定性和高光束质量激光输出，设计样机重复频率30 Hz，单脉冲能量66.2 mJ，脉冲宽度6.056 ns，稳定性优于3％，光束发散角0.6 mrad，光轴指向近乎零漂移，满足了星载激光测高应用。     

Comparison of retracking algorithms using airborne radar and laseraltimeter measurements of the Greenland ice sheet

Compares four continental ice sheet radar altimeter retracking algorithms using airborne radar and laser altimeter data taken over the Greenland ice sheet in 1991. The refurbished Advanced Application Flight Experiment (AAFE) airborne radar altimeter has a large range window and stores the entire return waveform during flight. Once the return waveforms are retracked, or post-processed to obtain the most accurate altitude measurement possible, they are compared with the high-precision Airborne Oceanographic Lidar (AOL) altimeter measurements. The AAFE waveforms show evidence of varying degrees of both surface and volume scattering from different regions of the Greenland ice sheet. The AOL laser altimeter, however, obtains a return only from the surface of the ice sheet. Retracking altimeter waveforms with a surface scattering model results in a good correlation with the laser measurements in the wet and dry-snow zones, but in the percolation region of the ice sheet, the deviation between the two data sets is large due to the effects of subsurface and volume scattering. The Martin et al. model results in a lower bias than the surface scattering model, but still shows an increase in the noise level in the percolation zone. Using an offset center of gravity algorithm to retrack altimeter waveforms results in measurements that are only slightly affected by subsurface and volume scattering and, despite a higher bias, this algorithm works well in all regions of the ice sheet. A cubic spline provides retracked altitudes that agree with AOL measurements over all regions of Greenland. This method is not sensitive to changes in the scattering mechanisms of the ice sheet and it has the lowest noise level and bias of all the retracking methods presented     

激光测高仪接收信号波形模拟器

分析了激光测高系统中接收信号的建立过程及其相关物理量;在忽略大气对激光脉冲的影响下,推导出接收信号和目标响应函数的理论模型,表明了接收信号可以看作是发射信号与目标响应函数的卷积。以现有的测高系统(GLAS)为例,采用网格划分的方法,将目标模型离散化,进而模拟出不同观测角及目标模型情况下的接收信号波形。同时将模拟波形的输出参数与测高仪理论计算得到的参数进行了比较,结果发现:模拟接收波形的脉宽与理论计算的脉宽吻合度达99.5%;模拟波形的总光子数与国际上GSFC模拟器得到的总光子数仅相差0.4%;脉冲重心对应的高度值与实际设定的高度值仅相差1%。从而验证了该方法的正确性和可靠性。     

激光测高系统中基于GP1的飞行时间测量

激光测高仪是测量激光脉冲的飞行时间来获得测高仪与探测目标之间的距离,因此激光飞行时间测量的准确性是衡量其系统能力的根本指标.采用了一种专用的时间数字转换芯片设计了时间间隔测量模块,它采用延时线技术,测量频率快,时间分辨率高,受外界环境干扰小,完全适合激光测高的要求.在给出软硬件实现方法的同时,也给出了测量结果.     

一种基于宽带低噪声THS4012运放的激光测高仪前置放大电路设计与实现

激光测高仪依靠回波信号包含的信息来反演地面目标的物理特性,因此必须保持回波信号的保真度和高信噪比.通过选择合适的探测器、设计与探测器匹配的放大电路、设计可以最大信噪比提取信号并保持滤波信号波形的滤波器来达到系统指标.讨论了激光测高仪前置放大电路的设计原则,分析了测高系统中对放大器选择的要求.实验表明,所设计的前置放大电路可以有效地满足设计要求.     

基于小光斑复合激光足印的植被属性研究

用机载激光测高仪对单木树冠进行自动提取和轮廓描绘,是获取森林信息的一种快速有效的方法。机载激光测高仪可通过记录回波波形来描绘单树植被冠盖等细节信息,但由于激光足印较小,很难给出树木种群的细节尺度参数,如树的冠盖大小,树径等。提出把若干小激光足印复合成大激光足印的方法,并通过高斯分解算法导出植被冠层高度,植被冠层反射率和中值能量高度等大尺度参数。实验结果表明,通过把固定数量的小光斑激光足印复合成一个大光斑激光足印的方法,能反演出更多的单树外围尺度参数,为植被垂直结构分析提供更多的可靠保证。     

地形地物对星载激光测高仪回波信号的影响

地形地物的回波信号特性影响着星载激光测高仪测量精度。对星载激光测高仪回波脉冲信号进行了理论分析,建立了地形地物数学物理模型,对不同地形地物的回波信号进行了数值模拟研究;在采用不同回波信号检测的情况下,分析了不同地形地物造成回波信号的变化所引起的测量误差。研究结果对保证星载激光测高仪测量精度具有重要的意义。     

Relative Vertical Positioning Using Ground-Level Transponders with the ERS-1 Altimeter

The microwave altimeters flown on the GEOS-3 and Seasat satellites have demonstrated the remarkable potential of the instrument for making global measurements of ocean currents and sea state. In this paper a technique is proposed for using the altimeter to be carried on the ESA ERS-1 satellite (launch date 1989) to measure the relative vertical position of land-based transponders and the ocean geoid on 2000-km-long segments of the satellite ground track. The absolute position accuracy will be similar to that of the laser tracking stations, relative accuracy achievable may be of the order of a few centimeters, and measurements of changes in transponder elevation during the three-year satellite life may be at the subcentimeter level. The opportunity for such measurements is provided by exploiting together, very accurate range measurements made to ground-based transponders and the demonstrated constancy of form of satellite, short-arc orbits repeated over an identical ground track. Altimetric vertical position measurements of this accuracy would make possible new techniques for altimeter calibration, sea-state bias measurements, orbit measurement, and seismic/geodetic study.     

卫星激光测高仪在轨检校脉冲探测器的设计、测试及应用

针对我国高精度立体测绘卫星系统中激光测高仪的在轨场地检校的技术需求, 研制了激光脉冲探测器系统。 系统采用高速 PIN 探测单元及高速数据采集电路实现了 ns 级脉宽激光脉冲的定量化采集, 通过集成无线射频模块实 现脉冲探测器的数据远程传输。为保证脉冲探测器的野外应用性能, 系统进行了能量密度测试、能量响应一致性与 稳定性测试、探测器测量视场角测试等。试验结果表明脉冲探测器可以实现 1∼120 nJ·cm−2 的能量范围采集, 能量响 应的一致性优于 5%, 稳定性优于 1.5%, 并且可以实现 ±12◦ 角度范围内的激光脉冲的有效采集。最终探测器成功应用 到我国“高分七号”卫星激光测高仪的在轨检校中, 获得了探测器阵列的有效激光触发数据, 为激光测高仪的在轨检校 试验提供了有效的数据支撑。     

椭圆高斯足印对星载激光测高仪测距值及其误差的影响

光束空间分布是影响星载激光测高仪测距指标的重要因素。根据星载激光测高仪接收脉冲回波分布特点,通过对椭圆高斯足印及线性目标的理论建模,基于接收脉冲回波信号时间重心及其方差的基本定义,构建了椭圆高斯足印对星载激光测高仪测距值及其误差的影响模型。以GLAS星载激光测高仪为输入条件,利用数值仿真分析的方法,针对倾斜度和粗糙度分别为（3,1.7 m）、（12.5,8.9 m）和（28.2,14.5 m）的三种典型观测目标,系统论述了椭圆高斯足印的椭圆率与方位角对测距值及其误差的影响规律。结果表明,激光测距值基本与椭圆高斯足印的椭圆率和方位角无关,其测距值余量最大值不超过1 mm,但是,激光测距误差会随着椭圆高斯足印的椭圆率和方位角的增加产生起伏变化,其测距误差余量最大值达到了47.04 cm。所得结论对于星载激光测高仪的硬件设计和性能评估具有一定实际应用价值。     

基于地面红外探测器的星载激光测高仪在轨几何定标

高精度在轨几何定标是星载激光测高仪有效应用的基础,在参考国外冰、云和陆地高程卫星（Ice,cloud and land Elevation Satellite,ICESat）卫星搭载的地球科学激光测高系统（Geo-science Laser Altimeter System,GLAS）几何定标的基础上,提出了一种基于地面红外探测器的星载激光测高仪几何定标方法。采用资源三号02星上搭载的国内首台试验性对地观测激光测高仪的真实数据开展了实验验证。实验结果表明:地面红外探测器能有效捕捉到激光测高仪对地发射的激光信号,几何定标方法能有效消除指向角的系统误差项,标定后平面绝对精度可提高到15.0 m左右,而华北某地高精度地形数据验证表明其绝对高程精度可提高到1.09 m,少量点高程误差小于0.5 m。虽然精度水平离国外GLAS还有一定差距,但相关结论能为后续国产激光测高卫星的优化设计、数据处理与应用提供参考。