一种星载激光测高饱和波形信号特征恢复方法技术

本发明专利技术公开了一种星载激光测高饱和波形信号特征恢复方法。该方法通过星载激光测高仪高低增益通道之间的几何特性一致性关系，构建了饱和补偿模型，所述方法包括以下步骤：对激光测高全波形数据进行波形分解，获取单波峰回波数据；提取激光波形特征参数，所述的波形特征参数包括峰值时间、峰值强度；利用星载激光测高仪高低增益通道之间的激光测距时间一致性和波形特征一致性，构建激光波形补偿模型；通过激光波形补偿模型对饱和波形进行激光脉冲飞行时延补偿和峰值强度补偿，进而恢复激光饱和波形的能量特性和几何测量精度。与现有技术相比，本发明专利技术基于卫星激光测高仪具有独立双通道的结构特点进行饱和波形信号特征恢复，可极大改善饱和状态激光测量波形数据的可用性和激光测距的精度。和激光测距的精度。和激光测距的精度。

【技术实现步骤摘要】
一种星载激光测高饱和波形信号特征恢复方法


[0001]本专利技术涉及星载激光测高
，尤其涉及一种星载激光测高饱和波形信号特征恢复方法。

技术介绍

[0002]星载激光测高是一种新型的主动遥感探测技术，能够精确、快速获取地表三维空间信息，为高程控制点获取以及立体测图提供服务。该技术利用卫星平台搭载的激光测高仪向地面发射激光脉冲，并记录经地表反射后的激光回波数据，实现地表高程信息的测定。2003年，美国国家航空航天局（NASA）发射的ICESat卫星搭载了首个对地观测激光测高系统GLAS，相关研究在极地冰盖高程测量、海冰厚度变化监测、森林生物量估算、全球高程控制点获取等方面发挥了重要应用。激光测高在三维空间探测中的独特优势，使其展现出了更突出的发展潜力和应用前景。因此，为提升自身空间激光探测的能力，中国在2016年发射了资源三号02星，卫星搭载了国内首台对地激光测试载荷，并成功获取了激光测高数据。2019年，高分七号（GF
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7）卫星成功发射，相较于资源三号 02 星，GF
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7卫星平台搭载了全波形记录的激光测高仪。
[0003]星载激光测高仪探测器的电子电路中，所有信号放大器的线性动态范围都是有限的。当天气晴朗、表面反射率高等高信号条件下，回波脉冲的峰值功率将超过接收器的线性动态范围，导致信号饱和，回波波形将表现出峰值削波和脉冲展宽。继续采用基于线性接收器的方法处理激光饱和波形，解算得到的测距信息会导致更长的激光脉冲飞行时间，进而影响测距精度。由于仪器设备自身及外部测量环境的影响，激光接收系统探测到的信号中可能经常存在饱和，如果在数据处理过程中选择舍弃，不仅会丢失一些有用信息，还会降低数据可用性，增加工作量和成本，因此激光测高饱和波形的数据处理在后续研究应用中具有重要意义。

技术实现思路

[0004]为了有效解决激光饱和波形问题，本专利技术提供一种星载激光测高饱和波形信号特征恢复方法。该方法能够有效提高激光测高精度和恢复饱和波形信号特征，为后续数据处理及应用提供高质量的基础数据。
[0005]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：步骤S1：对激光测高全波形数据进行波形分解，获取单波峰回波数据；步骤S2：提取激光波形特征参数，所述的波形特征参数包括峰值时间、峰值强度；步骤S3：利用星载激光测高仪高低增益通道之间的激光测距时间一致性和波形特征一致性，构建激光波形补偿模型；步骤S4：通过激光波形补偿模型对饱和波形进行激光脉冲飞行时延补偿和峰值强度补偿，进而恢复激光饱和波形的能量特性和几何测量精度。
[0006]进一步地，所述步骤S2具体包括以下步骤：
S21：采用阈值去噪的方法对激光波形数据预处理，筛选出有效波形；S22：利用最小二乘法迭代对有效波形进行高斯拟合，提取峰值时间和峰值强度参数。
[0007]进一步地，所述步骤S3具体包括以下步骤：S31：对激光测高全波形数据进行筛选，一组数据在高低增益两个通道均未出现饱和现象；另一组数据在高增益通道存在饱和现象，低增益通道未出现饱和；S32：将从高低增益均未出现饱和信号数据中提取的峰值时间参数进行线性回归模型拟合，以保证卫星激光测高仪双增益通道测距的一致性；S33：筛选具有不同饱和度的激光测高全波形数据，利用高低增益峰值时间参数构建激光信号测距时间偏差改正模型；S34：根据高低增益均未出现饱和信号的数据提取峰值强度参数，用于构建波形强度回归模型。
[0008]进一步地，所述步骤S4具体包括以下步骤：S41：利用激光信号测距时间偏差改正模型解算不同饱和度激光信号接收时间的偏差补偿参数，然后在其高斯拟合解算的回波接收时间基础上加上该补偿参数，即可修正饱和波形的回波接收时间；S42：根据峰值强度回归模型，利用饱和波形对应的低增益回波峰值强度计算高增益的回波峰值强度；S43：将激光信号测距时间偏差改正模型和峰值强度回归模型联立，根据饱和补偿结果恢复激光饱和波形的能量特性和几何测量精度。
[0009]与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：本专利技术基于卫星激光测高仪具有独立的双通道的结构特点，提出了一种星载激光测高饱和波形信号特征恢复方法，该方法不需要增加额外的硬件设施，就可以恢复饱和波形能量特性和几何精度。
[0010]本专利技术可极大改善饱和状态激光测量波形数据的可用性，为后续应用提供保障。
附图说明
[0011]图1是饱和波形示意图；图2是本专利技术星载激光测高饱和波形信号特征恢复方法的流程示意图；图3是本专利技术中脉冲飞行时延补偿的流程示意图；图4是基于GF
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7数据利用本专利技术方法对不同饱和度的激光波形进行信号恢复的实验对比图，其中，黑色实线为高增益饱和波形，蓝色实线为饱和波形对应的低增益波形，红色实线为饱和补偿后的高增益波形。
具体实施方式
[0012]为了更加清晰完整地描述本专利技术的目的、技术方案和技术效果，以下将结合附图和具体的实施例对本专利技术进行详细阐述。本实例是按照本专利技术技术方案进行实施，所述实施方式和具体操作过程只是为了方便理解，而非限定本专利技术，本专利技术的保护范围仍由所附的权利要求书所限定。
[0013]实施例1针对遥感数据中激光波形信号饱和问题，本实施例根据卫星激光测高仪具有独立的双通道的结构特点，提出了一种星载激光测高饱和波形信号特征恢复方法。
[0014]卫星在轨运行后，随着激光发射能量、环境条件和表面反射率的变化，返回脉冲的峰值功率有时会超出激光测高仪接收器的线性动态范围，导致信号出现饱和，而这种由于接收器动态范围不足而导致的“削顶”现象，即信号峰值被探测器截断而出现连续的电压值相同（三个或三个以上），被称之为“信号饱和”，如附图1所示。
[0015]参照附图2，本实施例一种星载激光测高饱和波形信号特征恢复方法，包括以下步骤：收集含有饱和波形信号的同波束星载激光测高全波形数据；提取激光波形特征参数，所述的波形特征参数包括峰值时间、峰值强度；利用星载激光测高仪高低增益通道之间的激光测距时间一致性和波形特征一致性，构建激光波形补偿模型；通过激光波形补偿模型对饱和波形进行激光脉冲飞行时延补偿和峰值强度补偿，进而恢复激光饱和波形的能量特性和几何测量精度。
[0016]下面对本实施例一种星载激光测高饱和波形信号特征恢复方法进行详细介绍：步骤S1：对激光测高全波形数据进行波形分解，获取单波峰回波数据。
[0017]步骤S2：提取激光波形特征参数，所述的波形特征参数包括峰值时间、峰值强度。
[0018]S21：由于仪器设备自身及测量环境的影响，激光接收系统探测到的信号中会存在一定的噪声，采用阈值去噪对星载激光原始波形数据进行预处理，可以筛选出有效波形，即利用首尾各N个采样值（N≥50）的平均值和均方差来估算背景噪声的阈值，大于背景噪声阈值的采样点数据为有效数据。背景噪声均值与噪声均方差的计算公式如下所示：的计算公式如下所示：S22：针对激光测高单波峰回波信号可采用如下高斯分布函数表示：利用最小二乘法迭代对有效波形进行高本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种星载激光测高饱和波形信号特征恢复方法，该方法通过星载激光测高仪高低增益通道之间的几何特性一致性关系，构建了饱和补偿模型，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤S1：对激光测高全波形数据进行波形分解，获取单波峰回波数据；步骤S2：提取激光波形特征参数，所述的波形特征参数包括峰值时间、峰值强度；步骤S3：利用星载激光测高仪高低增益通道之间的激光测距时间一致性和波形特征一致性，构建激光波形补偿模型；步骤S4：通过激光波形补偿模型对饱和波形进行激光脉冲飞行时延补偿和峰值强度补偿，进而恢复激光饱和波形的能量特性和几何测量精度。2.根据权利要求1所述的一种星载激光测高饱和波形信号特征恢复方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括以下步骤：S21：采用阈值去噪的方法对激光波形数据预处理，筛选出有效波形，即利用首尾各N个采样值（N≥50）的平均值和均方差来估算背景噪声的阈值，大于背景噪声阈值的采样点数据为有效数据；S22：针对激光测高单波峰回波信号可采用如下高斯分布函数表示：利用最小二乘法迭代对有效波形进行高斯拟合，提取峰值时间和峰值强度参数。3.根据权利要求1所述的一种星载激光测高饱和波形信号特征恢复方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括以下步骤：S31：对激光测高全波形数据进行筛选，一组数据在高低增益两个通道均未出现饱和现象；另一组数据在高增益通道存在饱和现象，低增益通道未出现饱和；S32：将从高低增益均未出现饱和信号数据中提取的峰值时间参数进行线性回归模...

【专利技术属性】
技术研发人员：李少宁，范秀芳，于启凡，
申请(专利权)人：湖南科技大学，
类型：发明
国别省市：