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。     

山地坡度自适应星载光子计数激光雷达点云去噪方法

星载光子计数激光雷达在接收信号的过程中会产生大量噪声,并且在复杂的山区地形中信噪比低,极大地影响对植被点云信号的准确提取。为解决该问题,提出了一种基于山地坡度的密度聚类算法。通过分析点云数据的密度和森林目标地形特征,用最大密度中心搜索法进行粗去噪,基于点云数据计算坡度角以优化密度聚类,完成数据精去噪。通过对提取的森林区域信号进行分类,拟合植被冠层廓线和地表廓线,结果表明本算法提取植被光子信号的准确率较高,地面与冠层廓线的RMSE分别为0.3588 m和3.7449 m,更适用于植被遥感点云数据处理。     

光子累计方法在成像激光雷达中的应用研究

介绍了一套自行研制的采用光子计数探测的1064nm激光雷达系统。理论分析了光子计数探测技术和信噪比的改善．实验研究了改善信噪比的脉冲累计方法。给出了光子累计脉冲与信噪比之间的平方根关系,以及不同距离下的探测结果。另外,讨论了光子累计在两种成像方式下,相同参数的数值模拟和比较。结果表明：采用大发射光束和光子累积方法进行探测的信噪比,比单光束、大光强和逐行扫描方式的探测在理论上要好些。即探测概率高。     

星载光子计数激光雷达海面点云仿真方法

星载光子计数激光雷达作为一种新的探测体制激光雷达,已开始应用于海面测量。然而受海风等多种因素的影响,海面存在一定的粗糙度和较大的起伏变化,因此光子计数激光雷达返回的信号点云在返回能量和信号光子分布上存在较大的变化,潜在的影响到了海面高程测量精度。本文基于JONSWAP海浪谱和微面元模型理论,结合蒙特卡洛方法建立了光子计数激光雷达海洋目标的仿真模型。以ICESat-2星载光子计数激光雷达的系统参数作为输入,仿真了不同风速条件下海面的信号光子分布,通过与ICESat-2实测结果对比证明了仿真方法的正确性。基于仿真模型,分析了不同风速条件下,光子计数激光雷达的测距误差分布。结果表明,光子计数激光雷达测得的海面高程小于实际参考海面,且测量偏差和标准差随风速增加而增大,当风速为10m/s,累计脉冲次数为100次时,测量偏差约为-2.5 cm,标准差为3.6 cm。所建立的仿真模型和分析结果对优化针对海面观测的星载光子计数激光雷达的系统参数设计和平均海面观测结果修正具有重要的参考意义。     

光子计数三维成像激光雷达的分析与实验

对于直接探测三维成像激光雷达,采用光子计数探测器可以响应单光子水平的目标回波,从而大大提高探测效率。研究的光子计数三维成像激光雷达采用盖革模式雪崩光电二极管（APD）作为探测器。首先分析了回波光子探测模型,并根据此模型讨论了激光雷达探测概率和测距模式。在理论分析的基础上,设计了一套光子计数三维成像激光雷达系统,对一些选定目标进行了测距和三维成像实验,并对实验结果进行了分析。     

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。     

不同通量条件下光子计数激光雷达信号畸变的规律研究

光子计数激光雷达在高通量条件下的输出信号会出现严重的畸变现象,从而影响目标信息的提取,因此,研究信号畸变的变化规律是一个重要的理论与实践问题。为此本文建立了多触发条件下光子计数激光雷达信号计算的稳态正向递推模型,该模型具有精度高、速度快,且可准确反映物理过程等显著优势。结合正确性验证,通过改变模型的信号幅度N、脉冲宽度P_W、背景噪声N_b和死区时间T_d等参数对激光雷达信号畸变的影响规律进行探究,结果表明：当死脉比R_dp≤2时,信号的畸变与N、P_W、T_d有关,当R_dp>2时,信号畸变仅与N有关;同时在仿真实验结果中发现,当探测损失率α≤5%时,可忽略信号畸变的影响,该发现可作为区分高通量信号畸变(α>5%)与低通量信号保真(α≤5%)的判别界限,根据计算,在某些特定条件下,改变死区时间的大小会将高通量转化为低通量。上述结论相比于传统的基于光子计数率的“5%”准则更加精确地划分了高低通量与信号畸变的界限。     

方向自适应的光子计数激光雷达滤波方法

提出一种自适应滤波方向的光子计数激光雷达点云滤波方法,定义了一种可调节主滤波方向的滤波核,通过遍历得到最佳滤波方向的密度值并剔除远离地物的噪声点,根据密度值与邻域内其它点的密度值差值剔除接近地物的噪声点。通过实验数据对算法进行了验证,结果表明算法能有效剔除与地面非常接近的噪声点,适用于低密度地物点云的滤波处理,其中植被滤波精度91.86%,地面点滤波精度97.89%。     

光子计数激光雷达的自适应时空关联深度估计

光子计数激光雷达具有高灵敏度、高时间分辨率等优势,为了实现在大量回波数据及强噪声环境下目标信息的高效提取,提出一种自适应时空关联深度估计算法。首先,根据回波数据中信号光子和噪声光子与发射激光脉宽的关系,利用回波光子在时域上的统计差异,自适应重构具有不同时间分辨率的直方图,并结合邻域像素数据之间的空间关联性,自适应调整时间窗口的大小,寻找信号光子所在的时间区间并提取相应的数据,显著降低后续处理的数据量;其次,基于所提取的回波光子数据,设置滑动窗口初步估计各像素的时间值;最后,通过自适应均值滤波得到各像素的飞行时间,解算相应的距离信息。相较于峰值法和Chen算法,在起伏地形探测的仿真实验中,当信号光子数约为14、噪声强度小于6 MHz时,重建的均方误差至少降低了20%;在室内静态目标成像实验中,当噪声强度在5.08 MHz范围内,所提算法进行目标重建的最大均方误差为0.017。仿真及实验结果表明,所提算法对强噪声下起伏地形和室内静态目标探测的回波数据均具有较好的滤波效果。     

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.     

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。     

基于改进微分增强法的激光雷达云参数反演算法

微分法是激光雷达云参数反演的一类传统方法,本文在微分增强法的基础上,优化一阶与二阶微分信号的拟合点数,平衡失真与噪声对检测结果的影响。以距离修正的回波信号代替云峰与云边界函数中的原始回波信号,增强云区域与非云区域的对比。对于因低层云存在而造成二次阈值过大的问题,通过扩大一次阈值的排除区间,有效减少对云层的漏判情况。采用激光雷达数据进行的实验结果表明,与改进前的算法相比,云底高度的相关系数由0.8930提高至0.9328,均方根误差由0.4924 km降低至0.2991 km,云顶高度的相关系数由0.8174提高至0.8598,均方根误差由0.7637 km降低至0.5912 km,改进后的算法具备更佳的反演结果。     

Resolution enhancement of spaceborne scatterometer data

A method for generating enhanced resolution radar images of the Earth's surface using spaceborne scatterometry is presented. The technique is based on an image reconstruction technique that takes advantage of the spatial overlap in scatterometer measurements made at different times to provide enhanced imaging resolution. The reconstruction algorithm is described, and the technique is demonstrated using both simulated and actual Seasat-A Scatterometer (SASS) measurements. The technique can also be used with ERS-1 scatterometer data. The SASS-derived images, which have approximately 4-km resolution, illustrate the resolution enhancement capability of the technique, which permits utilization of both historic and contemporary scatterometer data for medium-scale monitoring of vegetation and polar ice. The tradeoff between imaging noise and resolution inherent in the technique is discussed     

基于激光雷达的道路不平度及可行驶区域检测

为了提高室外场景中车载激光雷达道路不平度信息检测的精度, 采用随机降采样和局部特征聚合的网络结构对道路环境信息进行提取分割。在分割过程中加入随机降采样的方法, 从而提高点云信息的计算效率, 为解决道路环境信息分割过程中关键特征丢失的问题, 加入局部特征聚合器来增加每个3维点云的接受域来保留几何细节。结果表明, 所提出的算法可以准确识别道路环境信息, 对于凸包、凹坑、道路可行驶区域的识别精度分别达到71.87%, 82.71%, 93.01%, 与传统卷积神经网络相比有显著提升。该研究可高效提取道路不平度及道路可行驶区域信息, 从而提高了车辆的主动安全性与平顺性。     

基于空间分集的太赫兹光子计数系统

由大气湍流引起的闪烁效应是影响太赫兹无线通信系统性能的重要因素,为此提出了使用空间分集技术来改善受强大气湍流和噪声影响的太赫兹光子计数无线通信系统性能的方案,并分别推导了在开关键控(OOK)调制下基于Laguerre模型采用发射分集、接收分集以及多输入多输出技术(MIMO)的系统在强大气湍流下的误码率表达式。数值分析结果表明,在自由空间使用分集技术可以有效对抗强大气湍流,降低通信系统的误码率,是一种在不利天气条件下提升太赫兹无线通信性能的简单而有效的方法。     

基于量子多元宇宙算法的磁光成像增强

为了提高磁光成像增强效果,采用量子多元宇宙算法。首先铁磁材料施加磁场时,磁场的N、S级产生的光强差别性使得磁光成像区域的亮度由暗到明逐渐变化,焊缝磁光成像的像素灰度值与焊缝亮度成正比;接着引导滤波减少磁畴区域对磁光成像的影响,atctan函数对磁光成像区域增强;最后给出了算法流程。实验显示磁感应强度变化随着交变电压的增加而变大,霍尔探头离焊缝中心越远,则磁感应强度越小,磁感应强度在焊缝中心呈现对称分布,最小值在焊缝中心处,即磁场N级、S级交接处;磁畴特性随低频交流电压增加表现越明显;本文算法使得磁光成像增强效果清晰,评价指标较优。     

基于量子免疫蛙跳算法的图像增强研究

针对图像增强的特点,提出量子免疫蛙跳算法。该算法按适应度大小排序的青蛙个体进行量子编码,同时蛙跳移动离散化;通过动态调整量子蛙跳旋转门实现量子染色体中所有的量子比特都朝着与最优解对应的量子比特基态动态优化偏转;采用Hadamard门对量子位变异,基于阴性选择算法对蛙跳免疫进行像素匹配,并给出了图像增强过程。实验仿真表明,本文算法对图像增强效果的轮廓和细节更加清晰,层次感强,结构相似性SSIM其值较好,为0.9849。     

基于改进量子粒子群的红外图像增强算法

为了提高红外图像增强的效果,采用改进量子粒子群算法。首先构造粒子群多层空间结构,粒子运行空间划分为主层空间、次层空间,粒子信息交流通过主层空间、次层空间分别进行,交流过程受自身信息度因子和交流度因子影响;接着量子旋转门更新通过镜像门操作,梯度方法自适应调整量子门的旋转角度,提高了算法性能;最后将红外图像高频分量和低频分量分离,对其分别进行增强。实验仿真显示本文算法对红外图像增强结果相比其他算法较清晰,优质系数评价指标相比HE、NSCT、MSR、PSO、RSQS算法分别提高了43.60、36.52、25.60、19.24、12.14,对比度指标相比HE、NSCT、MSR、PSO、RSQS算法分别提高了27.99、20.70、15.28、13.97、10.85,性能指标较优。     

基于集成量子压缩光源的量子增强多普勒激光雷达（特邀）

传统激光雷达探测灵敏度不断提高,但仍然受激光光源的量子噪声以及探测端引入的额外噪声等因素限制。为了进一步提高激光雷达的探测性能,提出利用量子压缩态光场作为激光雷达的本振信号提高激光雷达探测精度的新方案,分析了所提出方案提高激光雷达探测精度的关键因素。制备了集成化低噪声压缩态光场并进行了激光雷达多普勒信息测量实验。实验结果表明,相较于传统相干多普勒激光雷达探测方案,所提方案实现了多普勒信息探测灵敏度3 dB的提升,为量子激光雷达中多普勒信息等微弱信号的探测提供研究途径。