【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于激光遥感，具体涉及一种基于点云数据的星载激光雷达回波仿真方法及装置。
技术介绍
1、全波形星载激光雷达是一种以激光作为辐射源的主动式遥感设备，它持续向被测目标发射激光脉冲，通过对激光足印范围内的目标反射回波的处理与分析，实现目标几何和物理特征信息的定量反演。全波形星载激光雷达具有覆盖范围广、测量分辨率高及全天候工作等特点，被广泛应用于森林生物量估计、极地冰川变化、全球地形测绘及湖泊水文监测等方面。星载激光雷达接收回波是目标信息反演的基础数据，其波形分布与被测目标的形貌特征和星载激光雷达的硬件参数息息相关。因此，在星载激光雷达发射升空之前，通常需要开发专用的波形仿真器，来模拟星载激光雷达的回波数据，以评估星载激光雷达在不同应用场景方面的使用性能。
2、目标形貌数据是波形仿真器的核心输入，其类型主要包括预设几何分布的目标模型和真实场景条件下的数字表面模型。由于机载激光雷达点云数据可以生成高精度和高分辨率的数字表面模型，因此，点云数据成为星载激光雷达波形仿真器最广泛的输入数据之一。机载激光雷达点云数据一般以las文件格式存储，涵盖目标点云位置信息与点云强度信息。其中，点云位置是投影坐标框架下目标点的三维坐标，点云强度是目标反射信号的相对强度值。通常情况下，点云强度信息受到被测目标真实反射率与机载激光雷达的发射能量、激光扫描角和激光测距值等多种因素影响，因此，点云强度信息不能代表被测目标的真实反射率。往往需要选择在已知反射率的朗伯体反射表面，例如柏油路面，开展机载激光雷达的辐射标定工作，才能将点云强度信息转换成
3、截止目前，基于点云数据的星载激光雷达回波仿真方法可以分为三类。第一类是美国国家航空航天局通过对点云数据的三角网格化处理，通过计算每个三角网格内的目标反射能量和反射时间，结合星载激光雷达测量原理，模拟得到准确的地面目标回波(filins,csatho b.an efficient algorithm for the synthesis of laser altimetrywaveforms[r].byrd polar research center,the ohio state university,2000.)。这类波形仿真方法的运算效率较低，仅适用于裸露地表目标的反射回波仿真，很难模拟植被区域的目标回波；第二类是基于离散各向异性辐射传输模型(dart)的波形仿真方法(gastellu-etchegorry j p,yin t,lauret n,et al.simulation of satellite,airborne and terrestrial lidar with dart(i):waveform simulation with quasi-monte carlo ray tracing[j].remote sensing of environment,2016,184:418-435.)，通过对目标的三维建模，利用辐射传输模型模拟激光脉冲与目标之间的相互作用，实现包括裸露地表目标和植被在内的目标回波精确仿真。这类波形仿真方法不能直接以点云数据作为输入，必须将点云数据经过复杂处理，以提取得到地表轮廓和森林植被的结构参数；第三类是基于点云数据累加的波形仿真方法(hancock s,armston j,hofton m,et al.thegedi simulator:a large-footprint waveform lidar simulator for calibration andvalidation of spaceborne missions[j].earth and space science,2019,6(2):294-310.)，将每个点目标响应波形视为冲激函数，并在目标高程方向上进行累加以产生伪回波，而未考虑激光脉冲在传输过程中的辐射特征变化。这类波形仿真方法运算效率高，但是无法获取目标回波的绝对幅值信息。因而，上述三类基于点云数据的星载激光雷达回波仿真方法，不能满足裸露地表目标和植被目标回波的快速和高精度仿真要求。
技术实现思路
1、本专利技术是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供基于点云数据的星载激光雷达回波仿真方法及装置，能够通过点云数据的辐射标定以及星载激光雷达激光脉冲传输过程的辐射校正，实现具有绝对辐射特征的裸露地表目标和植被目标回波的快速高精度仿真。
2、本专利技术为了实现上述目的，采用了以下方案：
3、<方法>
4、本专利技术提供基于点云数据的星载激光雷达回波仿真方法，包括如下步骤：
5、步骤1，输入星载激光雷达回波仿真的初始参数；
6、步骤2，选取星载激光雷达足印范围内的机载激光雷达点云数据，计算点云数据的平均脉冲间距和每个点目标的法向量；
7、步骤3，基于每个点目标的法向量，计算激光足印范围内每个点目标的校正强度并计算出辐射标定区域对应的反射率校正因子，以此校正激光测距值和激光入射角对点云强度的影响，获取每个点目标对应的反射率值；
8、步骤4，基于平均脉冲间距和反射率值，计算激光足印范围内每个点目标的坡度γi和反射功率pi，进而得到每个点目标的响应回波宽度ti，然后根据ti计算激光足印范围内每个点目标的响应回波函数hi(q)：
9、
10、式中，表示宽度为2ti矩形函数，sgn表示阶跃函数，τi表示第i个点目标对应的光束传输时间，τi＝2ri/c，δt表示星载激光雷达回波采样时间间隔，q表示时间采样序列；
11、步骤5，基于响应回波函数，计算目标总体响应信号序列，将其与星载激光雷达发射脉冲波形序列进行卷积得到仿真回波。
12、优选地，本专利技术提供的基于点云数据的星载激光雷达回波仿真方法，步骤2包括如下子步骤：
13、步骤2.1，选取星载激光雷达足印范围内的机载激光雷达点云数据，主要包含以下过程：
14、(2.1.1)将国际地球坐标框架下的星载激光雷达的足印地理坐标(xf，yf，zf)和卫星平台位置的地理坐标(xs，ys，zs)，转换到与机载激光雷达点云坐标相同的投影坐标框架下：
15、(xf，yf，zf)t＝rt·(xf，yf，zf)t，(xs，ys，zs)t＝rt·(xs，ys，zs)t
16、式中，rt表示国际地球坐标框架和投影坐标框架的转换矩阵，(xf，yf，zf)和(xs，ys，zs)分别表示投影坐标框架下的星载激光雷达的足印和平台位置地理坐标；
17、(2.1.2)计算机载激光雷达点云数据中第i个点目标对应的星载光线矢量与星载激光雷达指向向量之间的夹角
18、
19、式中，其中，(xi，yi，zi)表示第i个点目标的三维坐标，下标i＝1，2，…npt，npt表示机载激光雷达点云数据中的点目标总数，
20、(2.1.3)选取激光足印范围内的机载激光雷达点云数据，其点目标下标满足：<本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.基于点云数据的星载激光雷达回波仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：
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7.基于点云数据的星载激光雷达回波仿真装置，其特征在于，包括：
8.根据权利要求7所述的基于点云数据的星载激光雷达回波仿真装置，其特征在于，还包括：
9.根据权利要求8所述的基于点云数据的星载激光雷达回波仿真装置，其特征在于：
10.根据权利要求7所述的基于点云数据的星载激光雷达回波仿真装置，其特征在于：
【技术特征摘要】
1.基于点云数据的星载激光雷达回波仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于点云数据的星载激光雷达回波仿真方法，其特征在于：
3.根据权利要求1所述的基于点云数据的星载激光雷达回波仿真方法，其特征在于：
4.根据权利要求1所述的基于点云数据的星载激光雷达回波仿真方法，其特征在于：
5.根据权利要求1所述的基于点云数据的星载激光雷达回波仿真方法，其特征在于：
...【专利技术属性】
技术研发人员：周辉，王恒，李松，马跃，张千胤，宋昊，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：
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