单次大气散射效应对星载激光测高仪接收脉冲回波的影响

大气散射效应是影响星载激光测高仪接收脉冲回波的重要因素。根据星载激光测高仪接收脉冲回波信号与大气响应函数之间的关系式,在忽略大气多次散射效应的条件下,通过分析散射激光束的几何轨迹和散射概率,推导出单次大气散射激光脉冲和接收脉冲回波的特征参数的数学解析式。以地球科学激光测高仪系统参数为输入,采用数值仿真分析的方法,模拟了大气散射介质分布、激光指向角和目标倾斜角对接收脉冲回波信号特征参数的影响。结果表明,若散射介质的高度和粒子半径范围分别为0.2~6 km和0~120 m,则其对接收脉冲回波的能量、重心和均方根脉宽的影响最大值分别超过15%、250 cm和800 cm。随着激光指向角或目标倾斜角的增加,接收脉冲回波的能量基本不产生影响,但是其重心和均方根脉宽近似呈线性增加趋势。同时,采用高斯拟合方法可以减小大气散射效应对接收脉冲回波的影响。所得结论对于接收脉冲回波的数据处理与分析以及激光测距精度的评估具有一定的指导意义。     

噪声对星载激光测高仪测距误差的影响

噪声是影响星载激光测高仪测距误差的重要因素。根据星载激光测高仪接收脉冲回波和噪声的分布特点,推导出接收脉冲回波信号时间重心的方差的理论表达形式,建立了噪声对激光测距误差的影响模型。基于激光测距误差最小化的原则,提出了一种星载激光测高仪低通滤波器的优化设计方法。以Geosicence Laser Altimeter System(GLAS)激光测高仪基本测量参数为输入条件,仿真分析了激光测距误差和低通滤波器均方根脉宽的优化结果的分布规律。对于倾斜度为0~40且粗糙度为0~15 m范围内的目标而言,噪声所导致的激光测距误差范围为0.28~32.49 cm,相应地,低通滤波器均方根脉宽优化值的范围为1.4~57.4 ns。针对倾斜度在1范围内的目标,解算得到GLAS星载激光测高仪低通滤波器均方根脉宽为2.2 ns,这与其实际公布的2 ns很接近。同时,低通滤波器的优化结果所对应的激光测距误差发生大幅减小,其最大值减小至10.93 cm,减小幅度接近3倍。结果表明,噪声是影响星载激光测高仪测距误差的重要因素,合理设计低通滤波器的参数可以消除其部分影响,这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。     

面向星载激光测高仪的陆地目标响应函数仿真

面向星载激光测高仪的陆地目标响应函数的时间分布是评价星载激光测高仪使用性能的重要因素。根据星载激光测高仪发射的高斯激光束和目标响应函数的分布特点,采用等间隔同心圆环与等分圆周的方法实现目标的离散化三角网格划分,基于三角网格的均匀性与目标响应函数特征参数的误差模型,以目标响应函数的仿真误差指标为依据,提出一种全新的目标响应函数的时空域参数选取方法。以对地观测星载激光测高仪GLAS的系统参数为输入条件,针对三种典型倾斜度(3、12.5和28.5)的平面目标和多平面目标,通过限定目标响应函数特征参数的2%容限误差,仿真了对应的波形分布,并解算出其特征参数的最大误差不超过1.16%,有效验证了陆地目标响应函数仿真方法的正确性。所得结果对于星载激光测高仪接收脉冲回波的分析、数据反演及其性能评价具有一定的实际应用价值。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

基于对称小波降噪及非对称高斯拟合的激光目标定位

针对数字体制机载多脉冲激光测距机信号处理算法引入测距误差的问题,提出减少脉冲激光回波波形失真的降噪算法以及改善激光测距精度的校正措施,可用于脉冲激光目标的精确定位。结合数字体制多脉冲激光目标检测过程分析数字信号处理算法引入的测距误差,指出信号采样率限制了目标定位的距离分辨率,低通滤波环节的非线性相频特性是造成波形失真、峰值点偏移的主要因素。然后,针对这些问题给出了改善多脉冲激光目标定位精度的具体算法:基于对称小波基实施回波信号小波分解,利用改进Donoho阈值处理小波系数,用以减小重构目标波形峰值点位置的偏移;采用差分组合函数搜索目标回波的峰值点,基于非对称高斯脉冲模型进行高采样率拟合,对峰值点位置加以校正,改善定位的精确性。通过仿真选取合适的小波基,对比不同算法信噪比改善及峰值点定位的性能。在室外高塔开展消光比激光测距实验,结果显示信噪比为1.5的激光目标定位精度小于2m,验证了多脉冲激光目标精确定位算法的性能。     

低信噪比下机载平台多脉冲激光测距机目标回波降噪算法

针对远距离飞机目标,机载多脉冲激光测距机通常采用数字化处理体制,影响其测距精度的因素包括发射激光脉冲宽度的距离分辨率、大气传播及目标反射特性造成的波形展宽、回波信号接收处理通道的非线性相频特性等。数字化采样率、回波信号降噪、目标峰值点位置估计等数字化处理过程引起较大的目标距离定位误差。提出了基于经验模态分解（Empirical Mode Decomposition,EMD）和重构的回波降噪方法,首先对脉冲激光目标回波波形进行建模,然后分析了现有数字化回波降噪算法的性能及其对定位精度的影响。实验结果表明,所提方法可以准确提取目标峰值点位置,改善激光测距机的目标定位精度。     

Satellite laser altimetry of terrestrial topography: verticalaccuracy as a function of surface slope, roughness, and cloud cover

Analysis of the sensitivity of laser ranging errors to surface conditions indicates that predicted single-shot range errors are primarily dependent on surface slope. Range errors are less sensitive to variations in surface roughness or reflectivity. Values of total surface slope and roughness for nine terrestrial landforms, derived from digital elevation data at a 186 m length scale, vary from 2° to 40° and 0.8 to 15 m, respectively, at a 90% frequency of occurrence. This range of surface morphologies yields a variation in single shot laser ranging error from 0.4 to 8 m, assuming system parameters for the proposed Topographic Mapping Laser Altimeter (TMLA) and a nominal 30% surface reflectivity. The total elevation accuracy of data obtained via satellite laser altimetry, although dominated by the range error, is also a function of additional error sources, including orbit ephemeris, atmospheric, and calibration errors. Averaging of multiple laser measurements improves the vertical accuracy of the elevation data by statistical reduction of random errors. During a three-year mission, two to three laser measurements will be acquired, on average, for each 200-m footprint at low to moderate latitudes, accounting for the latitudinal variation of ground track spacing and cloud cover. For high-latitude regions, the narrow spacing of satellite ground tracks in a polar orbit will provide frequent repeat observations yielding, on average, 4 to 25 measurements of each footprint over the Antarctic and Greenland ice sheets. Averaging of these multiple repeat observations at high latitude will yield an improvement in vertical accuracy by a factor of two to five     

卫星激光测距系统的指向偏差修正

为了控制激光测距望远镜准确指向目标,本文采用图像处理方法精确识别卫星位置,计算卫星质心相对于参考中心的偏差并转换为望远镜的脱靶量,从而通过伺服系统修正望远镜的指向偏差;同时识别光束图像,得到光尖位置并计算光尖点与接收视场中心的偏差量,修正激光束指向偏差。     

高斯拟合误差对测距精度的影响

给出了激光测高仪接收信号模型的建立过程,并模拟了斜坡地形下接收信号的波形图.为了判定是否可以将接收信号简化为高斯信号处理,提出了以高斯拟合误差对测距精度的影响作为判定依据.以MOLA系统为例,采用LM非线性拟合算法,得到了不同目标倾斜角及阈值情况下,最优化高斯拟合波形与实际接收信号波形的误差.详细分析了MOLA系统中拟合误差对系统测距精度的影响.结果表明,这个影响相对于系统测距误差而言,可以忽略不计.因此,将MOLA系统的接收信号简化成高斯信号处理是完全可行的.     

激光遥感目标回波脉宽展宽特性实验

随着激光遥感探测技术的发展,目标回波脉冲特性对遥感探测的影响成为新的研究热点.脉冲展宽特性是激光回波的重要特性,其影响到回波接收信噪比和测距精度.为此,通过实验研究了目标回波脉冲展宽特性.描述了激光遥感回波波形采集实验系统主要构成以及关键技术参数.介绍了直射和倾斜入射情况下激光遥感目标回波脉宽展宽模型,并根据模型描述了回波脉宽展宽特性.对垂直探测楼房墙壁和倾斜探测草地的实验数据进行了分析,并将实验结果和理论分析数据进行了比较,取得了较好的一致性.最后提出了利用激光遥感回波脉宽展宽特性反演目标倾斜角的方法.     

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。     

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。     

遮蔽目标的激光雷达回波信息处理

为了探索利用激光雷达探测遮蔽目标,研究了遮蔽目标对激光雷达回波波形的影响,取得了遮蔽目标激光雷达回波波形的仿真数据.采用Levenberg-Marguardt算法对回波非线性拟合,实现了对回波波形的高斯分解,获取了高斯回波分量的个数、位置、半宽和幅度等参数.通过对各个通道分离子波的时间匹配,得到了各个子目标在不同通道的...     

Ytterbium laser with reduced thermal loading

We report a novel design for a high-power ytterbium disk laser. This laser utilizes radial diode pumping of a back surface cooled active-mirror geometry. Wing absorption of the pump light at 0.99 /spl mu/m allows efficient laser operation at 1.05 /spl mu/m with a low quantum defect. Laser performance and thermal loading were characterized for a wide range of conditions. Optimized operation of the laser yielded 490 W in a quasi-continuous-wave mode. Electrical efficiency of the laser was found to be 9.4%, while heating of the laser disk was only 3.2% of the absorbed optical power. Fluorescence re-absorption is identified as the principal heat generation mechanism in this laser. A simplified extension to the conventional rate model is proposed for lasing in radiation-trapped systems. This model allows power flow calculations in a radiation-trapped laser system using a single parameter determined from fluorescence decay waveforms. The revised model agrees with heat load measurements.     

阵列探测技术在激光测距中的应用

高精度的空间碎片观测数据对航天器碰撞预警具有重要意义,激光测距技术是目前空间目标距离测量中精度最高的一种技术,但大多数空间碎片上并未携带角反射器装置,激光测距回波信号较弱。阵列探测技术可以提高回波信号较弱的空间碎片激光测距探测成功概率,中国科学院云南天文台2015年开始开展基于阵列探测技术的激光测距试验,2017年成功将阵列超导纳米线单光子探测器和多通道事件计时器等阵列探测技术应用于激光测距试验系统中,分别在2017年3月和2018年3月的激光测距试验中,成功采集2×2和4×4阵列激光测距数据。其中探测到最小目标为轨道高度约1 000 km、大小为雷达截面（Radar Cross Section,RCS ） 0.045 m2的空间碎片;探测到最远目标为斜距约5 000 km、大小为RCS 18.25 m2的空间碎片。