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。     

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。     

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。     

高重频激光地面足印探测器峰检电路的设计

设计了一款两级峰值检测电路,实现对上升沿为3 ns、脉宽为5 ns、下降沿为3 ns、重频为10 kHz的脉冲信号的峰值检测与保持,利用STM32单片机的模数转换器完成电压信号采集。给出以APD为光电探测器件的地面探测器系统的基本结构框图,利用探测器系统中的放大电路模块使接收激光脉冲宽度从1 ns展宽至5 ns,搭配峰值检测电路模块实现窄脉宽、高重频激光信号的检测与数据记录。利用信号源完成峰值检测电路部分的功能测试,使用重频为1 kHz、脉宽约为1 ns的激光器完成探测器系统整体的功能测试,实验证明此系统可以较好地检测并记录该激光信号的峰值。     

红外探测器脉冲激光干扰仿真

红外探测器在军事或民用上都有着广泛的应用,它主要是通过探测目标的红外辐射来实现对目标的探测.目前应用最多、最广泛的是非成像的红外探测器,即将目标看作一个点源.成像式的红外探测器正得到迅速的推广.成像式红外探测器通过探测目标的不同部分的红外辐射来实现对目标的红外成像,非成像式红外探测器对目标方位和失调角的判断是通过目标红外辐射的调制信息来实现的.本文对红外探测器干扰信号的功率和频率影响进行了数值模拟,取得了一定的结果,理论上初步清楚了脉冲激光干扰红外探测器的作用机理.     

激光测高仪中APD探测器的接收性能分析

提出了一种激光测高仪光电探测器的接收性能分析算法,对APD探测器接收特性进行分析。该算法使用近似分布函数来模拟APD的输出,推导出虚警率与阈值门限和倍增因子三者之间的函数关系,找出虚警率、阈值和增益之间的最佳结合点。实验结果表明：根据该方法设计的激光测高仪APD接收电路,使得探测概率有很大提高,探测器信噪比达到最大值。     

脉冲激光加工空间散射能量采集

对脉冲激光加工中空间散射现象的研究是分析材料吸收激光束质量，提高加工精度的重要方法。本文根据散射率＋吸收率＝１的原理，实验分析空间散射现象，确定散射现象的研究方法和实验采集装置，建立空间散射能量的数学模型，通过采集系统和相应的软件编程，绘制散射能量分布图。实验结果表明：散射能量的空间分布近似为一球缺。     

脉冲激光对星载探测器的干扰和损伤分析

该文采用高斯光束辐照半无限固体的温升模型,研究了探测器表面温升与激光干扰和损伤阈值的变化关系。发现脉冲CO2激光对探测器的干扰和损伤与脉宽无关,只与脉冲能量密度有关,探测器表面温升与入射激光脉冲能量密度成正比关系,干扰阈值比损伤阈值要低一个数量级。通过理论分析,求出了干扰和损伤星载HgCdTe探测器所需CO2激光的脉冲能量。定性分析结果表明高平均功率重频脉冲激光更容易对星载探测器造成有效干扰和永久性损伤。     

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。     

移相式脉冲光探测器在脉冲激光研究中的应用

介绍一种新型的移相式脉冲光探测器,移相式脉冲光探测器是一种多功能脉冲光探测器,具有高速脉冲光探测、移相、计数、脉冲合并等功能,在脉冲激光研究中具有广泛的应用。     

星载激光测高仪地面定标系统软件设计

星载激光测高地面定标系统具有布设场地大、探测器数目多、环境恶劣的特点,为了实现地面定标系统激光信号光斑质心计算和精确计时的高效性,设计了地面定标系统软件,并详细介绍了软件各个模块的实现算法。该软件通过在计算机系统外部扩展外设,主要实现了数据处理和计时功能,软件包含时间戳数据处理模块、激光光斑地面质心计算模块、大气折射延迟校正模块、计时模块。使用该软件对资源三号02星场地外场实验进行数据处理,实验结果表明,该方案切实可行。     

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。     

脉冲式激光主动遥感器光校实时检测系统研制

以CMOS图像传感器技术为核心,采用USB数据传输和可编程逻辑器件技术,针对脉冲式激光主动遥感器特点研制了光校检测系统.该系统可推广应用于脉冲武激光器的光束成像与研究.     

星载激光测高仪系统接收滤波器的带宽优化设计

星载激光测高仪(SLA)接收滤波器带宽(RFB)直接决定系统的使用性能。根据星载激光测高仪的工作原理,建立了激光测高仪回波信号及输出信噪比(SNR)的简化模型,并推导了测距误差、探测概率和虚警概率的数学表达式。在探测概率和虚警概率满足阈值要求的前提下,提出了一种以测距误差最小化为依据的滤波器带宽优化设计方法。以MOLA-2星载激光测高仪系统为例,仿真计算出不同目标倾角对应的滤波器带宽值及其测距误差的分布规律。结果表明,在0°～40°目标倾角范围,滤波器带宽优化设计值比传统方法设计的结果要大,其差异达到0.7～58.7MHz,而对应的测距误差要小于传统方法解算的数值,其差异为0.2～16.2m。受测量对象多样性和复杂性的限制,无法使每个探测目标对应一个滤波器,则采用多个通道的滤波器分段式地对优化的测距误差分布曲线进行拟合,以获取到每个通道的滤波器带宽及对应的探测目标倾角范围。滤波器带宽优化设计方法为其实际制造提供了一种更为优越和可行的方案。     

Q开关激光脉冲功率测试的研究

由于光电探测器在强激光辐照时易发生响应信号饱和,而无法有效测量脉冲宽度,最终影响脉冲功率的结果。通过研制脉冲波形能量测试系统,优化脉冲宽度和脉冲能量的测试手段,实现激光脉冲功率的实时检测。     

C波段脉冲雷达高度表设计

C波段雷达高度表是一种基于机/弹载应用的小型、全固态、高可靠脉冲雷达高度表。为了解决脉冲雷达高度表低高度测量问题,采用收发分开双天线工作模式,在设计上采用了诸多先进的电子设计技术和设计理念。设计低高度C波段脉冲雷达高度表系统,较为详细地给出了各子系统的设计实现方法,同时给出了C波段脉冲雷达高度表的距离性能预测和相应的试验验证结果。试验结果证明了所采用技术手段能有效地解决脉冲雷达高度表低高度测量问题。     

脉冲激光对CCD图像跟踪系统干扰效果评估

CCD图像跟踪系统广泛应用于图像制导、光电观测等领域，其利用目标的二维图像信息，实现对目标的跟踪，具有跟踪精度高、隐蔽性好、抗干扰能力强等特点。作为新概念武器之一的激光武器能否对其实现干扰及干扰效果如何是人们最为关心的问题；通过开展该领域的实验，回答了上述问题，并进行了相关的讨论。     

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。