一种全面的激光测高回波仿真方法技术

本发明专利技术涉及遥感探测技术领域，尤其涉及一种全面的激光测高回波仿真方法。本发明专利技术不仅能够精确仿真倾斜或者起伏的裸地面所产生的回波信号，而且能够精确仿真有植被覆盖的地面所产生的回波信号。在此基础之上，本发明专利技术还能够通过所提出的植被覆盖有效面积比概念指导仿真实验设计，从而推导地面起伏或者倾斜、植被厚度和植被覆盖有效面积等因素变化，对回波所产生的影响，深入探索如何从真实回波信号反演地形和地物参数的方法。最后，本发明专利技术还能够考虑激光指向角不是指向天底方向，而与天底方向有一定的夹角时所产生的回波。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及遥感探测
，尤其涉及。
技术介绍
天基遥感探测技术是地球科学领域的重要技术，其中天基激光测高是利用卫星搭 载激光测高仪、从太空对星球表面轮廓进行探测。天基激光测高的工作原理为，天基激光器 持续地向地面发射激光，激光光束穿越大气到达地面后产生微弱的后向散射回波，该散射 回波再次穿越大气被测高系统中的望远镜所接收；通过光电探测器将激光回波转换成电脉 冲回波，通过分析该电脉冲回波的渡越时间T0F(time of flight)得到激光脉冲的渡越时 间，从而获得地表足迹光斑与测高仪间的距离Rm ；然后通过下式计算激光光斑处的地表高 度hs = [Rs2 +R2m-IRsRm CO^r -Rref式中，Rs是卫星轨道半径，Φ是激光光轴与卫星至地心连线的夹角(即天底偏 离角)，Rref是地球参考表面的半径，通常为大地水准面；激光测高仪的联结方程(link equation)如下Er=E,^^T2aTsRm π式中，艮是回波脉冲能量，Et是发射脉冲能量，I是接收望远镜的面积(平方米)， Rm是地表足迹光斑与测高仪间的距离，rs是目标表面反射率(朗伯)，Ta是单程的大气透 过率，τ 3是系统透过率。显然，地表足迹光斑内的高度分布和地表反射率都会对激光回波 信号产生影响。因此，在I、τ 3和％已知的情况下，如果能够获得发射脉冲信号与回波脉 冲信号，就能够通过数据处理与分析获取地表足迹光斑内的高度分布和反射率信息，从而 为天基激光测高仪增加雷达探测功能。渡越时间的测量精度除了受发射脉冲宽度和模拟/数字转换器 ADC(Analog-to-digitalConverter)的采样效应(量化精度和采样间隔)影响之外，还要受 到地理特征的影响。地理形状决定了脉冲的拓宽以及回波的整个形状，地表起伏也会引入 进一步的波形拓宽，地表反射率决定了回波能量。因此，激光测高仪的回波波形包含了地表 结构、起伏和反射率等信息，如何从回波波形中提取这些信息是相关领域研究者所普遍关 注的问题。在没有噪声，被测表面又具有相同的反射率的情况下，回波波形只取决于发射波 形和表面几何形状。在简单情况下，如平面或均勻斜坡面，可以推导出描述回波形状的闭合 表达式。但在复杂的表面地形下，解析推导是无法进行的。数值模拟有助于分析这些复杂 的因素，研究测高仪设计参数、测高性能与地理特征之间的关系，理解复杂表面特征对回波 形状的影响，提高测距精度分析。对激光测距的精度分析以及提取回波所蕴含信息的需要 推动了激光测高仪仿真软件的研制。仿真软件的用途在于研究激光测高仪各个组成子系 统的设计参数、被测表面复杂的地形特征与回波信号之间的关系；分析测距精度以及各种因素对测距精度的影响。目前，世界主要发达国家都在大力发展天基激光测高技术，美国明显处于世界领 先地位。受美国海军和导弹防御组织支持的位于著名的麻省理工大学的林肯实验室，为 美国军方研制了一系列的军用激光测高系统。而由美国国家航天航空局NASA (National Aeronautics andSpace Administration)组织研制的一系列已经出色完成太空任务的 民用天基激光测高系统，同样能够反映这一研究领域的世界最新水平。其中最具代表 性的是美国地球观测系统EOS(EarthObserving System)中的地球科学激光测高系统 GLAS(Geoscience Laser Altimeter System)。这是第一个用于连续全球观测的激光测高 系统，能够测量冰被地形和相应的温度变化，同时也监测云层和大气的特性。此外，由NASA 地球科学探路者计划资助研制出的植被覆盖雷达VCUVegetation Canopy Lidar)能够 通过测量植被的垂直和水平结构以及土壤表面地形来描述地球的三维结构。航天激光测 高系统SLA(Shuttle Laser Altimeter)计划受到由NASA总部和Goddard空间飞行中心 GSFC(Goddard Space Flight Center)发起的行星地球任务计划的支持。由于采用了高速 的模数采集电路，该装置能够分析光斑范围内的地表高度变化。于1996年11月7号升空 的火星勘探号MGS (Mars Global Surveyor)宇宙飞船所携带的激光测高系统MOLA(Mars Orbiter LaserAltimeter) -2的距离分辨率为37cm，能够以约300m的间距探测火星表面轮 廓。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供，在已知激光测高仪的硬 件参数、激光测高仪的飞行参数、大气与地表的光学参数、地面高度模型的条件下，计算出 激光测高仪的足迹光斑的回波波形。为达到上述目的，本专利技术采用如下的技术方案输入激光测高仪的硬件参数；输入激光测高仪的飞行参数；输入大气与地表的光学参数；输入地表高度模型数据地表高度模型用矩形点集(X，y，t，cod)来表示，其中X 和y为网格点的横坐标与纵坐标，表征网格点在与天底方向垂直平面上的位置，t为渡越时 间，COd为网格点的高度模型类型；对地面高度数据进行初步的处理，剔除光斑以外的数据，保留光斑以内的数据；在XOy平面组成三角形网格，确定每个三角单元的高度模型类型；根据发射脉冲功率面密度的空间分布、三角形单元在光斑内的位置和高度模型类 型，计算每个三角单元的功率面密度；选择计算回波合适的时间单元(time bin)，根据高度模型类型，确定每个三角单 元渡越时间的分布范围，根据每个时间单元所占据的面积及其功率面密度，计算每个时间 单元的返回光子数目；将激光光斑内每个三角单元的回波信号叠加起来，得到整个光斑内的回波信号 H (η)；根据激光器发射脉冲功率的时间分布I (η)，利用卷积和求系统对激励I (η)的响应 Y (η) :Υ(η) = Ι(η)*Η(η)；利用LM方法对有植被覆盖地面的仿真回波进行高斯拟合，获得最后一个高斯分 量之外的每个高斯分量的能量与总回波能量的比，将它定义为该层植被在地表足迹光斑内 所占据的有效面积比。所述激光测高仪的硬件参数包括激光波长、激光发散角、激光发射能量、激光脉冲 宽度、望远镜接收面积和系统透过率。所述激光测高仪的飞行参数包括轨道高度Rh和天底偏离角Φ。所述大气与地表的光学参数包括大气透过率和地表反射率。步骤(5)所采用的判据为(X-Xtl)^(Y-L)2彡a2，其中a为光斑半径，这里取地表足 迹光斑的3倍空间均方根宽度。本专利技术具有以下优点和积极效果1)不仅能够仿真高度分布连续的裸地面的回波信号，也能够仿真高度分布断续的 植被的回波信号；2)采用规范化的矩形网格给出地面高度模型，能够非常方便地进行三角单元的划 分；3)提出的有效面积比概念能够指导仿真实验的设计，深入研究植被覆盖有效面积 比变化对回波所产生的影响。4)能够考虑激光器指向偏离天底方向对回波的影响。 附图说明图1是本专利技术提出的的流程图。图2是三角单元高度模型类型的确定示意图。图3是飞行器与地表足迹光斑网格点的距离计算示意图。图4是连续类型三角单元的时间单元划分示意图。具体实施例方式下面以具体实施例结合附图对本专利技术作进一步说明本专利技术提供的，如图1所示，采用如下步骤(1)输入激光测高仪的硬件参数；激光测高仪的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种全面的激光测高回波仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：（１）输入激光测高仪的硬件参数；（２）输入激光测高仪的飞行参数；（３）输入大气与地表的光学参数；（４）输入地表高度模型数据：地表高度模型用矩形点集（ｘ，ｙ，ｔ，ｃｏｄ）来表示，其中ｘ和ｙ为网格点的横坐标与纵坐标，表征网格点在与天底方向垂直平面上的位置，ｔ为渡越时间，ｃｏｄ为网格点的高度模型类型；（５）对地面高度数据进行初步的处理，剔除光斑以外的数据，保留光斑以内的数据；（６）在ｘｏｙ平面组成三角形网格，确定每个三角单元的高度模型类型；（７）根据发射脉冲功率面密度的空间分布、三角形单元在光斑内的位置和高度模型类型，计算每个三角单元的功率面密度；（８）选择计算回波合适的时间单元长度，根据高度模型类型，确定每个三角单元渡越时间的分布范围，根据每个时间单元所占据的面积及其功率面密度，计算每个时间单元的返回光子数目；（９）将激光光斑内每个三角单元的回波信号叠加起来，得到整个光斑内的回波信号Ｈ（ｎ）；（１０）根据激光器发射脉冲功率的时间分布Ｉ（ｎ），利用卷积和求系统对激励Ｉ（ｎ）的响应Ｙ（ｎ）：Ｙ（ｎ）＝Ｉ（ｎ）＊Ｈ（ｎ）；（１１）利用ＬＭ方法对有植被覆盖地面的仿真回波进行高斯拟合，获得最后一个高斯分量之外的每个高斯分量的能量与总回波能量的比，将它定义为该层植被在地表足迹光斑内所占据的有效面积比。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：易帆，黄春明，张绍东，余长明，张云鹏，何裕金，岳显昌，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]