光束发散角对星载激光测高仪森林回波的影响

植被树高是生物量评估和森林生态监测的重要参数,但是大区域的植被树高数据获取困难.由大光斑星载激光测高系统森林回波可反演大区域植被树高,然而大坡度山区的植被和地面回波混叠严重,难以准确提取波形参数反演植被树高.为此建立森林目标回波的解析模型,推导出从混叠回波中分离植被和地面回波的必要条件,指出导致回波混叠的因素除了目标粗糙度和坡度,还有发射脉冲的发散角.分析了地表粗糙度和地形坡度对植被冠层回波的展宽效应及其对波形分解的影响,通过比较实测GLAS波形和仿真回波波形,验证了压缩光束发散角可降低森林回波对大坡度地形的敏感性.对于卫星轨道高度在500~600 km之间时,激光测高仪光束发散角一般在40~60μrad,更有利于森林植被树高的反演.所得结论为提高大坡度山地森林树高反演精度,从星载激光测高仪的系统设计角度提供了有意义的参考.     

植保无人机毫米波雷达测高原理分析及仿真

植保无人机平台测高技术有着广泛的需求,而调频连续波(FMCW)毫米波雷达设备在自动驾驶领域已经逐渐普及,因此,把FMCW毫米波雷达测高技术推广到植保无人机测高领域具有重要意义。基于植保无人机平台分析FMCW毫米波雷达测高原理和系统设计,证明了FMCW毫米波雷达可以用于植保无人机。提出基于地表建模的测高雷达回波仿真方法,可用于进行不同地形情况下的FMCW毫米波测高雷达性能分析和算法研究,实验分析了模拟回波的高度信息,证明该方法能满足植保无人机测高需求。     

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。     

雷达

TN95 02031560宽波束雷达高度表的回波波形特性分析及仿真/张蕴玉,胡炜,刘柳,胡修林(华中理工大学电子与信息工程系)jI华中理工大学学报一2 001,29(8)一32一35基于雷达高度表的回波波形与被测地形地貌的相关关系,提出了用仿真地形产生雷达高度表的回波波形的方法,以替代昂贵的飞行试验取得回波波形.用仿真提供不同地形条件下产生的回波波形的数据,分析地形起伏情况和回波波形产生畸变之间的相关关系,建立雷达高度表的测高优化模型,以提高测高精度.图4参5(金)基于拉伸信号的ISAR成象运动补偿新方法/张群,张涛,张守宏(西安电子科技大学雷达…     

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.     

激光测高卫星回波波形精细化模拟仿真方法研究

激光测高卫星的回波波形是其核心数据之一,回波波形的仿真分析对卫星指标论证及数据处理具有重要的参考价值。综合考虑地物反射率、发射波形和激光断面阵列(LPA)这3个因素对回波仿真结果的影响,并进行对比实验,探讨了最优的模拟仿真方法。实验中选择某研究区,以冰、云和陆地高程卫星(ICESat)/地球科学激光测高系统(GLAS)数据作为验证数据,通过相关系数对回波仿真精度进行评价。结果表明:在考虑实际地物反射率和发射波形后可以明显提高回波仿真的精度,仿真结果的相关系数从0.9337提高到0.9492;由于LPA的像素空间分辨率较低,故得到的仿真精度误差较大,通过3次样条插值提高像素分辨率后可使仿真精度提高到0.9513。     

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。     

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。     

周视激光引信超低空探测地面回波特性研究

周视激光引信在超低空探测中采用距离波门压缩技术实现抗地杂波能力。针对波门压缩技术需利用地面回波精确、稳定测高的需求,研究了周视激光引信超低空地面回波特性。建立了周视激光引信超低空对地探测模型,利用双向反射分布函数,推导了周视激光引信在时域上接收的地面回波功率方程。计算和分析了在导弹飞行高度、导弹俯仰姿态、地表反射特征等不同条件下的地面激光回波参数。结果表明,周视激光引信对地测高固有绝对误差随着探测距离的增加而逐渐变大,而测高固有相对误差逐渐变小。随着俯仰角的增大,激光回波脉冲的脉宽展宽率增大。地表双向反射分布函数镜面反射分量越大,地面回波功率对导弹俯仰角的变化越敏感。可为超低空条件下周视激光引信抗地杂波的研究提供理论支撑。     

面向雷达数字化仿真的目标回波模拟方法研究

雷达数字化设计与仿真技术作为雷达科研的"数字孪生"技术,已成为现代雷达科研必备手段之一,雷达目标回波模拟作为雷达数字化设计与仿真中关键功能之一,应首要解决。雷达目标回波模拟主要面临雷达信号波形的描述、目标的描述和雷达回波的生成等三个技术问题。为此,针对雷达数字化设计与仿真技术中雷达回波模拟问题的技术难题,描述了参数化雷达信号波形及其与目标的相互作用,给出了雷达回波生成的具体方法,并通过仿真验证了提出方法的有效性和可行性。     

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。     

星载激光测高仪多模式回波参数提取方法（特邀）

全波形星载激光测高仪的接收波形特征参数可以用于反演目标的形貌信息,传统的波形处理算法不能用于混叠严重以及偏离高斯形态的多模式波形特征参数提取。针对混叠严重的多模式回波,提出一种基于偏正态拟合模型,使用激励Richardson-Lucy反卷积算法、逐层分解算法、梯度下降法和非线性最小二乘拟合算法相组合的波形特征参数提取方法。采用已知参数的波形数据集、机载仿真波形数据集和全球生态系统动态调查（GEDI）激光雷达波形数据,基于波形相关系数与均方根误差（RMSE）、波形特征参数相对误差、波形分量个数提取正确率等评价指标开展波形处理试验,并将处理结果与传统的高斯分解结果进行比较分析。已知参数波形数据集处理结果的平均波形相关系数提升了约2%,RMSE降低了约47%,波形特征参数相对误差平均降低了约5%,分量个数提取正确率提升了约34%;机载仿真数据和GEDI波形数据处理结果的平均波形相关系数分别提升了约1%和2%,RMSE分别降低了约56%和54%。同时,开展了陡坡区域植被高度解算的仿真试验,得到的植被高度准确程度明显高于传统方法。所有处理结果均表明该方法更有利于多模式回波特征参数的提取以及目标参数的反演。     

Comparison of retracking algorithms using airborne radar and laseraltimeter measurements of the Greenland ice sheet

Compares four continental ice sheet radar altimeter retracking algorithms using airborne radar and laser altimeter data taken over the Greenland ice sheet in 1991. The refurbished Advanced Application Flight Experiment (AAFE) airborne radar altimeter has a large range window and stores the entire return waveform during flight. Once the return waveforms are retracked, or post-processed to obtain the most accurate altitude measurement possible, they are compared with the high-precision Airborne Oceanographic Lidar (AOL) altimeter measurements. The AAFE waveforms show evidence of varying degrees of both surface and volume scattering from different regions of the Greenland ice sheet. The AOL laser altimeter, however, obtains a return only from the surface of the ice sheet. Retracking altimeter waveforms with a surface scattering model results in a good correlation with the laser measurements in the wet and dry-snow zones, but in the percolation region of the ice sheet, the deviation between the two data sets is large due to the effects of subsurface and volume scattering. The Martin et al. model results in a lower bias than the surface scattering model, but still shows an increase in the noise level in the percolation zone. Using an offset center of gravity algorithm to retrack altimeter waveforms results in measurements that are only slightly affected by subsurface and volume scattering and, despite a higher bias, this algorithm works well in all regions of the ice sheet. A cubic spline provides retracked altitudes that agree with AOL measurements over all regions of Greenland. This method is not sensitive to changes in the scattering mechanisms of the ice sheet and it has the lowest noise level and bias of all the retracking methods presented     

Modeling lidar returns from forest canopies

Remote sensing techniques that utilize light detection and ranging (lidar) provide unique data on canopy geometry and subcanopy topography. This type of information will lead to improved understanding of important structures and processes of Earth's vegetation cover. To understand the relation between canopy structure and the lidar return waveform, a three-dimensional (3D) model was developed and implemented. Detailed field measurements and forest growth model simulations of forest stands were used to parameterize this vegetation lidar waveform model. In the model, the crown shape of trees determines the vertical distribution of plant material and the corresponding lidar waveforms. Preliminary comparisons of averaged waveforms from an airborne lidar and model simulations shows that the shape of the measured waveform was more similar to simulations using an ellipsoid or hemi-ellipsoid shape. The observed slower decay of the airborne lidar waveforms than the simulated waveforms may indicate the existence of the understories and may also suggest that higher order scattering from the upper canopy may contribute to the lidar signals. The lidar waveforms from stands simulated from a forest growth model show the dependence of the waveform on stand structure.     

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。     

无线电／激光高度表复合测高技术研究

无线电高度表和激光高度表是巡航导弹上用于探测地形高度的2种主要传感器,激光高度表具有探测精度高、抗电磁干扰能力强的优点;而无线电高度表不受天气和环境的影响,可全天候使用。因而,将无线电高度表与激光高度表进行复合探测,有利于提高地形探测精度,并增强系统抗干扰能力。在高度表测量方程的基础上,基于卡尔曼滤波公式和简单融合算法,给出了无线电／激光多传感器的滤波及融合模型;并利用M atlab对多传感器融合效果进行了仿真。仿真结果表明：基于多传感器融合的高度测量系统的精度比单个传感器的测量精度要高,且系统的稳定性和可靠性更强,所设计的基于无线电／激光高度表多传感器数据融合的高度测量算法是有效的。     

Correlation properties of ocean altimeter returns

The correlation properties of altimeter returns are useful in the optimal design of altimeter systems. They are also necessary for implementing maximum likelihood estimation algorithms for altimeter waveform parameter estimation. The authors derive a simple expression for the bin-to-bin and pulse-to-pulse correlation of altimeter waveforms. This expression is a triple convolution of the specular point probability density function, a product of altimeter point target responses, and a generalized surface impulse response. This result is analogous to the usual expression for the mean altimeter waveform. The authors compare these theoretical predictions against real data, using measurements from the Skylab and Geosat altimeters. Finally, they present a simple application of the results to altimeter system design     

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。     

遮蔽目标激光雷达回波波形的建模与仿真

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同波波形的影响,采用数学建模的方法,构建了遮蔽目标激光雷达回波模型.该模型允分考虑了脉宽展宽、光谱反射率、退偏振等因素对回波波形的影响,并利用该模型取得了对遮敝目标激光雷达回波波形的仿真数据.结果表明,不同目标的反射率和退偏度对回波波形有着较大的影响,这为今后研...