一种全链路的光子计数激光测高仪点云的生成方法技术

本发明专利技术公开了一种全链路的光子计数激光测高仪点云的生成方法，建立了包含星载激光测高仪测高过程中的地面光斑坐标解算、大气折射偏移修正、目标几何和辐射特性、探测器响应等的全链路仿真模型，结合卫星平台参数，激光测高仪系统参数，环境参数，目标特性参数，仿真生成高精度的单光子点云。该激光测高仪点云的生成方法可以准确地调整各项系统参数，环境参数，具有快速，易于模拟各种情况，且扩展性好的优点。可以以ICESat‑2系统参数为输入，仿真探测随机生成的地形表面，生成了高质量光子点云。

A method to generate point cloud of photon counting laser altimeter

【技术实现步骤摘要】
一种全链路的光子计数激光测高仪点云的生成方法
本专利技术涉及数据仿真
，具体涉及一种全链路的光子计数激光测高仪点云的生成方法。
技术介绍
相较于线性体制的激光测高仪，光子计数激光测高仪使用单光子探测器作为接收器件，灵敏度提高了2到3个量级，很好的解决了单脉冲能量和重频之间的矛盾，带来了小体积、多波束、高重频等诸多优势，是未来激光测高仪的发展趋势。本申请专利技术人在实施本专利技术的过程中，发现现有技术的方法，至少存在如下技术问题：目前，国内光子计数体制的激光测高仪仿真模型，尤其是全链路仿真还鲜有报道。由于探测器工作在光子计数模式，不同于传统线性体制探测器，其输出是服从特定概率分布的离散的光子事件，因而最终的数据产品是由大量离散事件组成的光子点云。如果采用实际实验获取所需的不同条件的点云数据，则需要对多种条件下进行实验，不仅系统参数调整困难而且成本极高。由此可知，现有技术中存在由于参数调整困难导致点云数据生成准确和效率不高的技术问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种全链路的光子计数激光测高仪点云的生成方法，用以解决或者至少部分解决现有技术中存在由于参数调整困难导致的点云数据生成准确和效率不高的技术问题。为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种全链路的光子计数激光测高仪点云的生成方法，包括：步骤S1：建立激光发射坐标系、卫星本体坐标系和地面坐标系；步骤S2：确定激光方向矢量、指向偏差和卫星在地面相对坐标系中的偏转，根据激光方向矢量、指向偏差和卫星在地面相对坐标系中的偏转，通过坐标转换关系得到地面坐标系下激光脉冲矢量；步骤S3：根据激光脉冲矢量、激光发射点在相对地面坐标系下的坐标以及大地坐标系，计算出地面坐标系下所有光斑脚点的坐标和激光入射指向角；步骤S4：获取光斑位置处的高程轮廓，对地面坐标系下所有光斑脚点的坐标和激光入射指向角进行修正，并根据修正后的光斑脚点的坐标、修正后的激光入射指向角以及光斑位置处的高程轮廓，计算光斑位置法向指向角；步骤S5：获得光子计数激光测高仪的发射系统参数、激光雷达与目标之间的单程大气透过率以及激光脉冲在空域分布的初始分布，计算单脉冲到达地面光斑位置的能量分布；步骤S6：获得地面目标反射率和激光雷达接收系统参数，根据单脉冲到达地面光斑位置的能量分布、目标反射率、激光雷达接收系统参数、光斑位置法向指向角与修正后的激光入射指向角以及目标高程轮廓，计算目标的单位冲击响应，再根据目标的单位冲击响应计算出光斑脚点的回波信号波形，目标高程轮廓为光斑位置处的高程轮廓；步骤S7：根据激光雷达方程计算单位时间内探测器接收的由目标发射的背景光噪声；步骤S8：根据光斑脚点的回波信号波形以及探测器接收的由目标发射的背景光噪，利用单光子探测器进行响应探测，生成全链路的光子计数激光测高仪点云。在一种实施方式中，步骤S1具体包括：以激光发射的参考起点为原点，激光出射方向为Z轴正方向，Y轴垂直于卫星轨道平面，右手准则确定X轴建立激光发射坐标系OL-XLYLZL；以卫星质心为原点，X轴指向卫星飞行方向，Z轴指向天底方向，Y轴垂直于卫星轨道平面建立卫星本体坐标系OB-XBYBZB；以WGS84坐标系为基础建立大地坐标系(O-XYZ)。在一种实施方式中，步骤S2具体包括：步骤S2.1：将激光方向矢量设置为绕卫星本体坐标系XB轴逆时针旋转θlx、绕YB轴逆时针旋转θly的单位矢量，指向偏差为Δθlx(t)和Δθly(t)，根据公式(1)计算卫星本体坐标系激光脉冲方向矢量PL(t)，式(1)中，Δθlx(t)和Δθly(t)是由各种因素引起的指向偏差，是随时间变化的量；步骤S2.2：获取卫星在地面相对坐标系中的偏转，偏转包括偏航角ω、俯仰角和侧滚角κ，根据公式(2)计算得到地面坐标系下激光脉冲矢量P(t)，其中，ω、κ分别为卫星定姿系统测定的卫星在地面相对坐标系中的偏航角、俯仰角和侧滚角，M(ω),和M(κ)为坐标旋转矩阵。在一种实施方式中，步骤S3具体包括：步骤S3.1：获得卫星平台参数：卫星相对地面轨道高度H0、卫星运行速度V、卫星轨道路径Ts，；步骤S3.2：获得激光发射重频设定RL，激光发射坐标系在卫星本体坐标系下的坐标；步骤S3.3：根据卫星平台参数、激光发射重频设定RL，激光发射坐标系在卫星本体坐标系下的坐标，计算出地面坐标系激光发射坐标[XL0(n)，YL0(n)，ZL0(n)]；步骤S3.4：根据地面坐标系激光发射坐标以及激光脉冲矢量P(t)，计算出地面坐标系的所有光斑脚点坐标[X0(n),Y0(n)]以及激光入射指向角θ0(x,y)。在一种实施方式中，步骤S4具体包括：步骤S4.1：获取大气参数：不同大气压位置的大气温度Ta、湿度Ha、位势高度Ga；步骤S4.2：根据大气参数，构建大气折射偏移修正模型，并利用大气折射偏移修正模型对地面坐标系下所有光斑脚点的坐标和激光入射指向角进行修正，得到相对地面坐标系下的修正后的光斑坐标[X(n),Y(n)]及入修正后的射指向角θL(n)，其中大气折射偏移修正模型中大气折射率如公式(3)：其中，k1(λ)和k2(λ)是与波长λ有关的函数，T为温度，Pd和Pw、Zd和Zw分别为干空气和水汽的分压强与压缩率；步骤S4.3：获取光斑位置处的高程轮廓ξ(x,y)，根据修正后的光斑脚点的坐标、修正后的激光入射指向角以及光斑位置处的高程轮廓，计算光斑位置法向指向角θn(x,y)。在一种实施方式中，步骤S5具体包括：步骤S5.1：获取光子计数激光测高仪发射系统参数：激光单脉冲发射能量Et、激光脉冲均方根脉宽σs和发射光学系统效率ηt；步骤S5.2：获得激光雷达与目标之间的单程大气透过率Tv、激光脉冲在空域分布的初始分布，根据公式(4)计算单脉冲到达地面光斑位置[X(n),Y(n)]的能量分布Ei(x,y)：Ei(x,y)＝ηtTvE0(x,y)(4)其中，激光脉冲在空域分布为高斯分布，E0(x,y)为激光脉冲初始分布，ηr为光学系统的传输效率，Tv为星载激光测高仪与目标之间的大气透过率。在一种实施方式中，步骤S6具体包括：步骤S6.1：获得地面目标反射率ρ，激光雷达接收系统参数：探测器的量子效率ηq、接收光学系统效率ηr、接收光学望远镜的有效口径Ar；步骤S6.2：根据公式(5)计算出信号回波信号光子数分布Ns(x,y)，其中，ηr为光学系统的传输效率，hv为单个光子能量，Ar为接收光学系统的有效口径，Tv为星载激光测高仪与目标之间的大气透过率，ρ为随机地形表面反射率，H0是卫星轨道高度，θg为激光入射指向角与光斑位置法向指向角之间的夹角；步骤S6.3：根据信号回波信号光子数分布和目标高程信息计算出的激光往返传播时间Δt(x,y)，累加同一时刻的回波信号，得到针对该目标本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种全链路的光子计数激光测高仪点云的生成方法，其特征在于，包括：/n步骤S1：建立激光发射坐标系、卫星本体坐标系和地面坐标系；/n步骤S2：确定激光方向矢量、指向偏差和卫星在地面相对坐标系中的偏转，根据激光方向矢量、指向偏差和卫星在地面相对坐标系中的偏转，通过坐标转换关系得到地面坐标系下激光脉冲矢量；/n步骤S3：根据激光脉冲矢量、激光发射点在相对地面坐标系下的坐标以及大地坐标系，计算出地面坐标系下所有光斑脚点的坐标和激光入射指向角；/n步骤S4：获取光斑位置处的高程轮廓，对地面坐标系下所有光斑脚点的坐标和激光入射指向角进行修正，并根据修正后的光斑脚点的坐标、修正后的激光入射指向角以及光斑位置处的高程轮廓，计算光斑位置法向指向角；/n步骤S5：获得光子计数激光测高仪的发射系统参数、激光雷达与目标之间的单程大气透过率以及激光脉冲在空域分布的初始分布，计算单脉冲到达地面光斑位置的能量分布；/n步骤S6：获得地面目标反射率和激光雷达接收系统参数，根据单脉冲到达地面光斑位置的能量分布、目标反射率、激光雷达接收系统参数、光斑位置法向指向角与修正后的激光入射指向角以及目标高程轮廓，计算目标的单位冲击响应，再根据目标的单位冲击响应计算出光斑脚点的回波信号波形，目标高程轮廓为光斑位置处的高程轮廓；/n步骤S7：根据激光雷达方程计算单位时间内探测器接收的由目标发射的背景光噪声；/n步骤S8：根据光斑脚点的回波信号波形以及探测器接收的由目标发射的背景光噪，利用单光子探测器进行响应探测，生成全链路的光子计数激光测高仪点云。/n...

【技术特征摘要】
1.一种全链路的光子计数激光测高仪点云的生成方法，其特征在于，包括：
步骤S1：建立激光发射坐标系、卫星本体坐标系和地面坐标系；
步骤S2：确定激光方向矢量、指向偏差和卫星在地面相对坐标系中的偏转，根据激光方向矢量、指向偏差和卫星在地面相对坐标系中的偏转，通过坐标转换关系得到地面坐标系下激光脉冲矢量；
步骤S3：根据激光脉冲矢量、激光发射点在相对地面坐标系下的坐标以及大地坐标系，计算出地面坐标系下所有光斑脚点的坐标和激光入射指向角；
步骤S4：获取光斑位置处的高程轮廓，对地面坐标系下所有光斑脚点的坐标和激光入射指向角进行修正，并根据修正后的光斑脚点的坐标、修正后的激光入射指向角以及光斑位置处的高程轮廓，计算光斑位置法向指向角；
步骤S5：获得光子计数激光测高仪的发射系统参数、激光雷达与目标之间的单程大气透过率以及激光脉冲在空域分布的初始分布，计算单脉冲到达地面光斑位置的能量分布；
步骤S6：获得地面目标反射率和激光雷达接收系统参数，根据单脉冲到达地面光斑位置的能量分布、目标反射率、激光雷达接收系统参数、光斑位置法向指向角与修正后的激光入射指向角以及目标高程轮廓，计算目标的单位冲击响应，再根据目标的单位冲击响应计算出光斑脚点的回波信号波形，目标高程轮廓为光斑位置处的高程轮廓；
步骤S7：根据激光雷达方程计算单位时间内探测器接收的由目标发射的背景光噪声；
步骤S8：根据光斑脚点的回波信号波形以及探测器接收的由目标发射的背景光噪，利用单光子探测器进行响应探测，生成全链路的光子计数激光测高仪点云。


2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1具体包括：
以激光发射的参考起点为原点，激光出射方向为Z轴正方向，Y轴垂直于卫星轨道平面，右手准则确定X轴建立激光发射坐标系OL-XLYLZL；以卫星质心为原点，X轴指向卫星飞行方向，Z轴指向天底方向，Y轴垂直于卫星轨道平面建立卫星本体坐标系OB-XBYBZB；以WGS84坐标系为基础建立大地坐标系(O-XYZ)。


3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2具体包括：
步骤S2.1：将激光方向矢量设置为绕卫星本体坐标系XB轴逆时针旋转θlx、绕YB轴逆时针旋转θly的单位矢量，指向偏差为Δθlx(t)和Δθly(t)，根据公式(1)计算卫星本体坐标系激光脉冲方向矢量PL(t)，



式(1)中，Δθlx(t)和Δθly(t)是由各种因素引起的指向偏差，是随时间变化的量；
步骤S2.2：获取卫星在地面相对坐标系中的偏转，偏转包括偏航角ω、俯仰角和侧滚角κ，根据公式(2)计算得到地面坐标系下激光脉冲矢量P(t)，



其中，ω、κ分别为卫星定姿系统测定的卫星在地面相对坐标系中的偏航角、俯仰角和侧滚角，M(ω),和M(κ)为坐标旋转矩阵。


4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3具体包括：
步骤S3.1：获得卫星平台参数：卫星相对地面轨道高度H0、卫星运行速度V、卫星轨道路径Ts，；
步骤S3.2：获得激光发射重频设定RL，激光发射坐标系在卫星本体坐标系下的坐标；
步骤S3.3：根据卫星平台参数、激光发射重频设定RL，激光发射坐标系在卫星本体坐标系下的坐标，计算出地面坐标系激光发射坐标[XL0(n)，YL0(n)，ZL0(n)]；
步骤S3.4：根据地面坐标系激光发射坐标以及激光脉冲矢量P(t)，计算出地面坐标系的所有光斑脚点坐标[X0(n),Y0(n)]以及激光入射指向角θ0(x,y)。


5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S4具体包括：
步骤S4.1：获取大气参数：不同大气压位置的大气温度Ta、湿度Ha、位势高度Ga；
步骤S4.2：根据大气参数，构建大气折射偏移修正模型，并利用大气折射偏移修正模型对地面坐标系下所有光斑...

【专利技术属性】
技术研发人员：李松，杨坚，张智宇，曾昊旻，刘欣缘，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42