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。     

基于星载激光测高仪的森林植被高度估算

为了提高星载激光测高仪估算森林植被高度的精度,本文在处理星载激光森林地区回波波形时,提出了一种基于高斯混合函数模型的波形分解方法,充分保留了波形中有效峰值信息,提高了利用波形估算植被高度的精度。本文以GLAS过中国长白山地区的20个激光点为例,先后进行了自适应波形背景噪声滤除与高斯平滑滤波的波形预处理,对预处理后波形进行了高斯混合函数模型的波形分解,并利用分解后得到的首末子波形估算出激光光斑内的植被高度,对比该光斑样地实测植被高度,结果表明本文估算的植被高度精度为(0.3±1.4)m,其精度明显高于已有的相关算法,故该方法可用于已在轨的高分七号星载激光估算森林植被高度。     

利用波形匹配实现卫星激光测高脚点精确定位的方法

激光测高仪分米量级的绝对高程精度可以满足地面高程控制点的需求,但其十几米甚至几十米的平面偏移使得其激光脚点仅能在平坦地表区域作为高程控制点使用。通过推导激光回波模型建立回波模型仿真器,综合考虑激光能量时空分布、地表轮廓、地表反射率等器件和目标参数的影响,对没有考虑地表反射率影响的现有波形匹配方法进行改进;进而,使用机载LiDAR点云数据和GLAS波形、能量数据,以仿真波形和真实波形相关系数最大原则进行波形匹配,寻找GLAS激光脚点中心坐标的精确位置。结果表明:在GLAS系统接收能量正常的工作周期内,波形匹配的平均相关系数大于0.9,通过波形匹配提高GLAS激光脚点的平面精度,能够实现约2 m的平面定位精度。研究方法能解决复杂地表条件下的激光高程控制点获取问题。     

多特征参数约束的星载激光高程控制点提取

星载激光点位高程精度是其辅助光学立体影像复合测绘的基础。针对光学影像立体测绘对激光高程控制点精度的需求,提出了一种基于多特征参数约束的星载激光高程控制点提取方法。该方法利用全波形数据包含的目标地物垂直结构信息,分析高精度激光高程控制点特征,基于数据的有效性、波形的峰值个数、回波特征参数实现逐级约束筛选。选取信噪比、峰度和偏度作为评价指标,通过全波形数据回波特征参数的计算、统计与分析,确定其信噪比、峰度和偏度阈值,最终高效提取出可用于星载激光高程控制点的有效波形数据。以我国高分七号数据为试验对象,选取草地、戈壁、道路、水体、沙地、耕地六种典型地物样本,确定适用于提取高分七号高程控制点的信噪比、峰度与偏度的阈值。以江苏地区机载LiDAR点云数据为参考,验证分析高程控制点提取和阈值设定的准确性,试验结果表明:基于多特征参数约束算法,利用设定的适用于GF-7卫星的参数阈值,可以高效、准确地从原始波形数据中提取出有效波形用于高精度高程控制点生产。以与参考数据高程差0.32 m为高程精度要求,提取准确性平均为90.34%,所提取的激光高程平均测量精度优于0.5 m。     

对地观测星载激光测高仪在轨姿态系统误差检校方法

星载激光测高仪通过接收经地表反射的微弱激光脉冲回波,计算卫星与地表的距离;结合卫星位置和姿态数据,生成激光脚点精确地理位置和高程结果。对于高程精度10 cm量级的对地观测激光测高仪,必须对影响严重的姿态角系统误差进行标定和校正。文中推导得出星载激光测高仪姿态角误差与已知地表先验信息相关联的数学模型,设计了利用大洋表面作为地表标定场,通过卫星姿态机动方式,最小二乘估计算法校正卫星在轨系统误差的具体方法。仿真结果表明,所设计的方法能够准确估计存在的姿态系统误差,即使大规模观测值丢失,估计偏差也小于5%。这种在轨运行系统误差的标定方法对于对地观测星载激光测高仪的姿态误差检校具有参考意义。     

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。     

基于半解析模型的激光测高回波海水海冰波形分类方法

现有利用激光测高波形的地物分类方法绝大多数基于机器学习的分类原理,是一种基于经验的分类方法。从激光回波的理论模型出发,通过推导纯海水表面回波和含有海冰的表面回波的解析模型,对纯海水回波和含有海冰回波逐个采样点按时域距离加权计算总振幅差异值,以该差异值作为依据建立一种半解析型的海水、海冰分类方法;通过机载LiDAR将在格陵兰北部海冰区的实测点云数据判断GLAS激光脚点对应的地面类型,对GLAS在该区域实测波形进行基于论文方法的分类准确性验证;结果显示,在剔除饱和波形影响后,分类总体精度OA大于95%,Kappa系数接近0.89,具有非常好的分类效果。论文将使得激光测高仪地物类型分类方法由基于机器学习为依据向半理论解析模型为依据的分类方向延伸,为后续基于激光回波数据的地物分类方法提供重要的参考思路。     

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.     

利用境内气象站观测数据的激光测高仪大气延迟改进算法

由大气层折射率分布不均匀引起的大气折射延迟是星载激光测高仪测距误差的主要来源之一,其主要受地表气压的影响。目前计算地表气压方法仅有美国GLAS系统使用的基于NCEP气象数据和时间空间的内插方法,GLAS系统观测相对平坦的南北极冰盖区域的精度足够,但观测地表起伏复杂的陆地目标的精度较低。文中利用国内气象站的观测数据,基于改进的反距离加权内插算法对大气折射延迟修正方法进行改进,并与传统GLAS方法的修正结果进行精度对比。在高原地区以及高纬度地区,采用国内气象数据和新的内插算法可以将修正残差由超过2 cm降低至小于0.5 cm,相对GLAS系统整体15 cm的测量精度,相当于整体精度提高10%,对于未来国产卫星激光测高仪测量精度的提高将有一定参考价值。     

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。     

CW laser pumped emerald laser

A CW laser pumped emerald laser is reported, A 34 percent output power slope efficiency is observed with longitudinal pumping by a krypton laser in a nearly concentric cavity. The laser has been tuned from 728.8 to 809.0 nm, Losses in emerald are larger than those of alexandrite determined in a similar cavity. Our data also indicate that the excited state absorption minimum is shifted from that of alexandrite.     

浅析激光器的发展与激光测距的方法

激光的出现是人类科技史上的一个伟大进步,激光技术使得测量技术变得更加精确和方便。在地形测量、工程测量和航空摄影测量以及人造地球卫星测量、月球光学定位等航天测量中广泛应用。其中,激光测距是应用最为广泛和成熟的一种,它是集光学、激光、计算机和光电子及集成电子等多项技术为一体的综合性技术。无论是在科学技术、生产建设还是军事应用方面都有着重要的意义。     

YAG laser operation by semiconductor laser pumping

Yttrium aluminum garnet (YAG) laser operation has been achieved using a single gallium arsenide laser diode as the pump. Repetition rates of 200 pulses per second have been achieved in initial experiments. Compared to flashlamp pumping, semiconductor laser pumping requires less. than 5 percent of the light energy to accomplish YAG lasing. Extraordinary repeatability of laser output, pulse to pulse, has been obtained.     

脉冲激光泵浦的钛宝石激光器

本文主要从理论和实验上研究了脉冲钛宝石激光器的输出特性     

激光引信中发射单元的设计

本文设计了用于机载激光引信的激光脉冲测距发射单元,该发射单元由激光器和驱动电路构成.激光器选择纳秒级脉冲大功率固体激光器,采用半导体激光二极管作为泵浦源,提出了一种获取同步信号的方法,并对其整体结构进行了考虑.为满足引信特殊需要,为半导体泵浦固体激光器设计了专用驱动电路,解决了固体激光器在不同温度下重复频率不稳定性问题,避免了使用体积庞大的致冷器.激光发射单元工作可靠,在很大温度范围内重复频率稳定并灵活可调.5 V电源时,输出峰值功率达2 018 W、脉宽3.3 ns、重复频率达10 kHz.     

无序激光器激光出射的空间分布

讨论一种散射,导出相应的分布函数。分析增益区几何形状,运用蒙特卡罗法模拟光子在无序介质中的随机行走,得到激光出射的空间分布。结果表明：在界面法线方向,激光强度最强,随角度增大强度逐渐减弱,并且光强关于法线旋转对称。激光出射的空间分布与无序介质中光子平均自由程有关,据此可通过测量激光出射的空间分布来反推光子平均自由程。出射的激光光子绝大多数（一般95%以上）都是在离界面3个平均自由程距离内散射出来的。     

Violet laser oscillations in a krypton ion laser

The violet output power over 500mW obtained from a krypton ion laser and successfully applied to detect cancer is reported.     

Far-infrared raman laser with high intensity laser pumping

Theoretical and experimental results are presented for a pulsed far-infrared (FIR) molecular gas laser with high intensity laser pumping. In these FIR lasers, high intensity pumping is found to produce stimulated Raman emission at very large offsets (up to 30 GHz) from resonance with the intermediate state. A theoretical, density matrix model is developed for these lasers to account for simultaneous Raman emission on rotational levels in the ground and excited vibrational states (double Raman resonance). This theoretical approach is necessary in the case of off-resonant, high intensity pumping. Theory predicts the FIR emission frequency, the FIR laser gain, and the pump threshold intensity as a function of pump laser frequency. Experimental results are obtained onP-,Q-, andR-branch transitions in¹²CH3F and¹³CH3F using a single-mode, grating tuned CO2TEA pump laser with an intensity of up to 40 MW/cm². Good agreement is obtained between theory and experiment for the observed values of FIR emission frequency and pump threshold intensity. These results indicate that a widely tunable (150-1200 mum), pulsed FIR CH3F laser could be constructed with a tunable, multiatmospheric CO2pump laser of modest power (about 2-5 MW).     

免调试固体激光器在军用激光测距系统中的应用

将IJL88200型激光测距机中的激光器改装成“免调试激光器”,并对改装前后的激光器及测距机的性能进行对比试验,取得了理想的结果。