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.     

激光测高仪中飞行时间的高精度测量方法的研究

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.文中阐述了时间间隔高精度测量技术及其最新进展.介绍了传统的测量时间间隔的方法的不足,引入了插入法.并采用粗测和精测相结合的方法来满足大范围、高精度的测量需求.文中详细介绍了模拟插入法、Vernier法、延时线法以及时间数字转换法在FPGA新技术中的应用.     

激光测高仪中基于现场可编程门阵列的高精度飞行时间测量

设计了在激光测高系统中基于单芯片现场可编程门阵列(FPGA)的高精度时间间隔测量模块。该模块采用高频计数器实现粗时间测量,差分延时线内插技术完成细时间测量,时间分辨率为300 ps。该芯片同时还集成了时序切割电路、回波脉宽测量和数据传输模块等。在环境温度20℃时对该测量模块进行精度测试,获得标准偏差为94.68 ps,转换成距离为1.42 cm。最后通过地面检测,整个系统在500 km范围内的一般条件下可获得测高精度±50 cm。     

大气多次散射效应对星载激光测高仪测距偏差值的影响

大气多次散射效应会使得星载激光测高仪脉冲回波信号发生拖尾现象,导致激光测高仪的测距值出现偏差。根据激光测高仪的工作原理并利用半解析型蒙特卡罗方法,建立了大气多次散射效应条件下的脉冲回波信号及距离偏差的数学模型,并基于GLAS系统参数,仿真分析了云和雾的多次散射效应对距离偏差值的影响规律。结果表明,随着大气参数的变化,距离偏差会呈现不规则的起伏变化。当云层粒子尺度大于150μm或雾的消光系数小于1.68 km-1时,大气多次散射效应对测距偏差值的影响小于1 cm。所得的结论为星载激光测高仪测量天气的选取以及系统参数的优化提供了理论依据。     

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。     

对地观测星载激光测高系统高程误差分析

星载激光测高系统通过接收卫星平台激光器发出的激光脉冲经地表反射的微弱回波,计算卫星与地表的距离;结合卫星轨道和姿态数据,生成激光脚点精确地理位置和高程结果.其高程误差主要受器件、环境和目标参数影响,目前还没有完整描述对地观测星载激光测高系统平面和高程误差的数学模型.简化并完善了针对固体地表的激光测距误差模型,建立了完整的激光脚点平面和高程误差模型.利用高程精度和空间分辨率更高的机载Lidar数据评估了星载激光测高系统GLAS实测数据的高程偏差,评估结果符合所建误差模型.在较平坦的冰盖表面,GLAS系统高程精度可以达到设计值约15 cm.研究内容对测高系统高程误差评估和系统参数设计具有参考意义.     

激光测高仪平顶高斯光束条件下的回波参数模型

星载激光测高仪通过提取激光回波参数计算卫星与地表的距离,结合轨道和姿态信息生成激光脚点的三维坐标。普通高斯光束的空间能量分布随光斑半径增加迅速衰减,不利于探测复杂和分层的地表目标,而平顶高斯光束可以克服这一缺点。根据平顶高斯光束和激光测高回波的相关理论推导得出平顶高斯激光模式下回波波形主要参数的解析式,并使用波形模拟器、波形处理算法,以及地球科学激光测高系统(GLAS)真实回波对所得理论模型进行了验证,结果显示不同阶数激光脉冲的对比偏差都小于3%,且随着目标斜率或阶数的增加,回波宽度和距离误差也随之增加,4阶平顶高斯光束目标斜率0.05时对应的距离误差超过10 cm。     

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。     

光子计数激光雷达时间-数字转换系统

时间测量系统在激光雷达中主要用于激光脉冲飞行时间的测量,其性能直接影响着激光雷达的各项指标.基于FPGA设计了一种应用于光子计数激光雷达的时间-数字转换(Time-to-Digital Converter,TDC)系统,利用延迟线内插在FPGA内部实现了高精度的时间测量,通过实验分析,研究了TDC系统的性能及其应用于光子计数激光雷达后的效果.实验结果表明,TDC系统的时间分辨率达到29 ps,测时精度37 ps,能够实现9通道的高精度事件计时功能,用于光子计数激光雷达后,整个激光雷达系统的测时精度为421 ps,达到6.3 cm的距离测量精度,能够实现高精度高分辨率的激光三维成像.     

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。