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。     

卫星姿态控制误差及飞行速度对星载激光测高仪测量精度的影响

建立了数学物理模型,理论分析了单光束垂直入射和多光束"品"字形入射时,卫星姿态控制误差及飞行速度对星载激光测高仪测量精度的影响,推导了测距误差的数学表达式,并进行数值模拟研究。文中以光束往返时间1/300 s为例,研究了为达到1 m测距精度,卫星姿态控制误差需满足的误差区间,并定性讨论了卫星飞行速度对测量精度的影响。研究结果说明:卫星姿态控制误差直接影响星载激光测高仪的测量精度,但随着斜入射光束方位的不同,俯仰误差与滚转误差对测距精度的影响程度会发生变化;若测距光束传播方向与卫星飞行速度有相同方向分量,则卫星飞行速度的影响必须加以考虑。     

高分七号卫星多源遥感数据精度优化与评估

高分七号卫星是国内首个亚米级双线阵立体成像卫星,同时配有两套激光测高仪和激光足印相机,可同期获取多源遥感数据。文中采用高分七号卫星获取的多源遥感数据进行平面和高程精度优化,利用激光测高数据对立体影像密集匹配的DSM进行偏度、中值、线性和二阶多项式模型和高程优化评估,利用足印影像对DOM进行一阶仿射变换方法和平面优化评估,并利用外业控制点对无控平面高程、激光高程优化、足印-激光平面高程优化、外业-激光平面高程优化等不同优化模型的结果进行精度评估。实验结果表明,利用激光测高数据可明显优化DSM高程精度,无控DSM高程误差平均值为?4.268 m,中误差为4.518 m,经过中值模型优化后的DSM高程误差平均值提升为?0.272 m,中误差提升为1.508 m,经过线性模型优化后的DSM高程误差平均值提升为?0.320 m,中误差提升为1.351 m;利用足印影像可改善DOM的平面精度,平面误差平均值从13.606 m提升到5.341 m,中误差从13.626 m提升到5.495 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。     

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。     

卫星激光测高仪在轨检校脉冲探测器的设计、测试及应用

针对我国高精度立体测绘卫星系统中激光测高仪的在轨场地检校的技术需求, 研制了激光脉冲探测器系统。 系统采用高速 PIN 探测单元及高速数据采集电路实现了 ns 级脉宽激光脉冲的定量化采集, 通过集成无线射频模块实 现脉冲探测器的数据远程传输。为保证脉冲探测器的野外应用性能, 系统进行了能量密度测试、能量响应一致性与 稳定性测试、探测器测量视场角测试等。试验结果表明脉冲探测器可以实现 1∼120 nJ·cm−2 的能量范围采集, 能量响 应的一致性优于 5%, 稳定性优于 1.5%, 并且可以实现 ±12◦ 角度范围内的激光脉冲的有效采集。最终探测器成功应用 到我国“高分七号”卫星激光测高仪的在轨检校中, 获得了探测器阵列的有效激光触发数据, 为激光测高仪的在轨检校 试验提供了有效的数据支撑。     

高分七号卫星激光测高仪光斑质心位置变化分析

高分七号卫星搭载了我国首个具备全波形记录能力的对地观测激光测高仪,可以大范围地获取高精度三维坐标,其定位精度高度依赖于激光指向角的测量精度.针对数据特点,提出了一种阈值约束的椭圆拟合光斑质心提取算法,并建立了长周期指向角稳定性监测与分析系统.首先,用阈值法确定激光光斑轮廓的边缘;其次,通过腐蚀操作消除孔隙、噪声的影响;...     

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。     

基于波形匹配的高分七号星载激光测高仪山地区域脚点定位方法研究

提出了一种基于波形匹配的激光脚点定位方法,该方法以机载激光雷达点云数据作为参考,通过对观测弧段内激光脚点的单点波形匹配和系列脚点相关系数联合处理的方式,精确计算激光指向和距离信息,实现了对高分七号卫星激光脚点在起伏山区的精确定位。使用美国犹他州山地区域的机载激光雷达点云作为当地实测现场数据,对基于论文方法高分七号星载激光测高仪的精确定位数据进行了实验验证。在平均坡度达到20°的犹他州实验区域,观测弧段内高分七号激光脚点高程精度从精确定位前的（2.45±2.93） m提升至（0.27±0.61） m。试验结果表明,该方法可以有效提升高分七号星载激光测高仪观测成果在起伏山区的精度。     

星载激光测高仪固体激光器技术研究与发展

空间固体激光器是星载激光测高系统的重要载荷,也是先进激光器的典型代表。星载激光测高的应用需求和星载应用环境决定了空间激光器的技术特点和规律,使得空间固体激光器成为了先进性、可靠性、成熟性和小型轻量化的技术与工艺统一。分析了星载激光测高应用的空间固体激光器高可靠激光谐振腔技术、高重频窄脉宽微脉冲多光束激光器技术、LD/光纤/固体相融合技术等方面的发展现状,介绍了单光子阵列推扫式激光雷达用空间固体激光器的技术突破,并对卫星激光测高固体激光器技术发展进行了展望。     

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...     

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.     

月球探测卫星激光高度计地面定标与性能验证技术

月球探测卫星激光高度计服务于月面三维影像获取的科学目标,在研制过程中需要对激光高度计的固定参数及系统性能进行定标与验证试验,为分析科学和应用目标实现及后期三维数据处理提供必要的参数.介绍了月球探测卫星激光高度计地面定标与性能验证技术,内容包括激光光束发散角、测距系统延迟常数、测距范围、最大测程、测距分辨率及测距不确定度,并对测试误差进行了分析.试验结果表明,激光高度计系统性能符合设计要求,可以保证月面三维影像获取的实现.     

Four years of Landsat-7 on-orbit geometric calibration and performance

Unlike its predecessors, Landsat-7 has undergone regular geometric and radiometric performance monitoring and calibration since launch in April 1999. This ongoing activity, which includes issuing quarterly updates to calibration parameters, has generated a wealth of geometric performance data over the four-year on-orbit period of operations. A suite of geometric characterization (measurement and evaluation procedures) and calibration (procedures to derive improved estimates of instrument parameters) methods are employed by the Landsat-7 Image Assessment System to maintain the geometric calibration and to track specific aspects of geometric performance. These include geodetic accuracy, band-to-band registration accuracy, and image-to-image registration accuracy. These characterization and calibration activities maintain image product geometric accuracy at a high level-by monitoring performance to determine when calibration is necessary, generating new calibration parameters, and verifying that new parameters achieve desired improvements in accuracy. Landsat-7 continues to meet and exceed all geometric accuracy requirements, although aging components have begun to affect performance.     

高分七号激光测高中全波形回波数据的EMD降噪

针对具有多个高度层的复杂场景,全波形激光测高系统记录的回波信号中往往带有较高的噪声,采用合适的降噪方法将有助于提高计算激光测距的精确性、反演地物垂直结构和构建目标特征参数的准确性。根据高分七号激光测高在轨探测的低信噪比全波形数据的特性,采用经验模态分解（Empirical mode decomposition,EMD）方法来构建典型的本征模函数（Intrinsic mode function, IMF）,对于分解出多个不同尺度IMF的筛选,比较了使用去除高频分量,阈值选取、Wavelet选取和去趋势波动分析（Detrended fluctuation analysis, DFA）等方法与策略,通过降噪效果及定量评价,测试结果表明EMD-DFA1与EMD-1IMF对高分七号激光测高的全波形数据具有较好的降噪效果,其次为EMD-Wavelet和EMD-Threshold。另外通过EMD-DFA1对单个波峰、混叠波峰、多个波峰等不同情况的全波形数据测试,结果表明该方法具有较好的自适应性。     

国外空间激光的发展现状

随着激光技术的不断发展和进步,星载激光系统成为空间信息获取的重要手段,在地形测绘、高分辨率观测、空间遥感、环境监测等领域具有重要的应用前景。回顾了NASA已经发射的空间应用激光系统在火星、水星、地球和月球地形测量上的应用,分析了激光器载荷的性能指标,阐述了正在发展的空间激光应用计划,指出当前的技术难以满足未来的空间激光任务需要,新的任务要求需要新的激光器技术,激光技术未来将会成为空间行星探测的关键技术。最后总结了空间应用固体激光器面临的关键问题及发展趋势。     

GF-7星载激光测高仪全波形自适应高斯滤波

全波形星载激光测高仪通过向地表发射激光,获得目标表面的后向散射完整波形,可用于地表剖面高程信息及目标表面几何物理参数的反演。GF-7星载激光测高仪部分原始波形存在噪声显著、波峰左偏/右偏和非饱和平峰等情况,对提取有效信息造成干扰。针对GF-7星载激光测高仪全波形数据,首先提出了一种波形背景噪声迭代去除方法,然后对波形噪声特点及几何结构进行分析,并进行定量化描述,最终设计了一种顾及波形噪声与结构异构的自适应高斯滤波器。在实验中,将文中方法与已有经典波形滤波算法进行比较,最终验证了文中方法在噪声去除、有效信号保留及非饱和平峰波形处理上的有效性。使用文中方法进行波形滤波后,波形信噪比更高,同时波形幅值下降量均在3倍的噪声标准差以内,非饱和平峰波形滤波后波形高斯分解参数振幅、均值和标准差的分解精度分别为(0.69 ± 2.34) mV, (0.007 ± 0.024) ns和(0.026 ± 0.069) ns。