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激光测高卫星的回波波形是其核心数据之一, 回波波形的仿真分析对卫星指标论证及数据处理具有重要的参考价值。综合考虑地物反射率、发射波形和激光断面阵列(LPA)这3个因素对回波仿真结果的影响, 并进行对比实验, 探讨了最优的模拟仿真方法。实验中选择某研究区, 以冰、云和陆地高程卫星(ICESat)/地球科学激光测高系统(GLAS)数据作为验证数据, 通过相关系数对回波仿真精度进行评价。结果表明:在考虑实际地物反射率和发射波形后可以明显提高回波仿真的精度, 仿真结果的相关系数从0. 9337提高到0.9492; 由于LPA的像素空间分辨率较低, 故得到的仿真精度误差较大, 通过3次样条插值提高像素分辨率后可使仿真精度提高到0.9513。
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第
卷
第
期
中
国
激
光
,
年
月
CHINESEJOURNALOFLASERS
Januar
y
,
激光测高卫星回波波形精细化模拟仿真方法研究
门 华 涛
,
,
李 国 元
,
陈 继 溢
,
赵 严 铭
,
邢 艳 秋
东北林业大学工程技术学院
,
黑龙江 哈尔滨
;
国家测绘地理信息局卫星测绘应用中心
,
北京
摘要
激光测高卫星的回波波形是其核心数据之一
,
回波波形的仿真分析对卫星指标 论证 及数据 处理 具有重 要的
参考价值
.
综合考虑地物反射率
、
发射波形和激光断 面阵 列
(
)
这
个 因素 对回 波 仿真 结果 的 影响
,
并 进行 对
比实验
,
探讨了最优的模拟仿真方法
.
实验 中选 择某 研 究区
,
以 冰
、
云 和陆 地高 程 卫星
(
)/
地 球科 学激 光 测
高系统
(
)
数据作为验证数据
,
通过相关系数对回波仿真精度进行评价
.
结果表明
:
在考虑实 际地 物反射 率和
发射波形后可以明显提高回波仿真的精度
,
仿真结果 的相 关系 数 从
提 高到
;
由 于
的 像素 空间
分辨率较低
,
故得到的仿真精度误差较大
,
通过
次样条插值提高像素分辨率后可使仿真精度提高到
.
关键词
遥感
;
激光测高
;
回波仿真
;
/
;
激光断面阵列
;
高分七号卫星
中图分类号
文献标识码
doi
:
.
/
CJL.
RefinedSimulation MethodsofLaserAltimetr
y
SatelliteEcho Waveform
Colle
g
eo
f
En
g
ineerin
g
andTechnolo
gy
NortheastForestr
y
Universit
y
Harbin
Heilon
gj
ian
g
China
SatelliteSurve
y
in
g
and Ma
pp
in
g
A
pp
licationCenter
NASG
Bei
j
in
g
China
Abstract
Ke
y
words
OCIScodes
收稿日期
:
;
修回日期
:
;
录用日期
:
基金项目
:
国家自 然 科 学 基 金
(
)、
对 地 观 测 系 统 重 大 专 项 应 用 共 性 关 键 技 术 项 目
(
/
)、
年基础测绘科技项目
(
)
EGmail
:
引
言
星载 激光测高是 一种主动观 测的方法
,
具有快
速获取大范围地表三维信息的优势
[
]
,
冰
、
云和陆地
高程卫星
(
)
上 搭 载 的 地 球 科 学 激 光 测 高 系
统
(
)
在 极 地 冰 川 变 化 研 究
[
]
、
林 业 生 物 量 估
算
[
]
,
以及全球控制点获取
[
]
等方面的应用得到了
广泛关注
.
我国的 激光测高 卫 星虽然起 步 较晚
,
但
也在不断地蓬勃发展 中
,
已经发射 成 功的
“
嫦娥
”
系
列卫星
[
]
以及资 源 三 号
星
[
]
都 搭 载 了 激 光 测
中
国
激
光
高仪
,
即将发射的高 分 七号和陆 地 生态系统 碳 监测
卫星也将装备具有回波记录功能的激光测高仪
.
回波 数据是激光 测高仪的核 心数据之一
,
回波
波形模拟仿真对于卫星数据处理及指标论证具有重
要价值
.
国 内 外 围 绕 激 光 回 波 仿 真 进 行 了 较 多 研
究
:
[
]
通 过 研 究 短 脉 冲 激 光 回 波 信 号 的 统
计特征
,
建立了最初的激光回波理论模型
,
为后人的
研究奠定了理论基础
;
在
/
发射之前
,
美国航天局戈达德飞行 中心
(
)
对其进行 了 全
链路仿真研究
,
并建 立 了专门的 激 光测高仿 真 系统
[
]
;
等
[
]
基 于 高 精 度
二维高程数据建立 了回波仿 真 模型
,
对植被区 域 的
激光回波进行 了仿真分析
;
[
]
结 合 数 字 高 程
模型和野外全球定位系统数据对复杂地形条件下的
大光斑激光回波进行了仿真分析
;
李松等
[
]
利用菲
涅耳衍射理论建立 了 斜坡
、
阶梯和植 被
种标准漫
反射地物的回波模型
;
周辉等
[
]
分析 并推导了激 光
测高系统接收信号 和目标响 应 函数的理 论 模型
;
潘
浩等
[
]
对一般 地 形 下 的 大 光 斑 激 光 回 波 进 行 了 初
步探讨
.
已有的研究大多是基于理论模型直接建立回波
仿真模型的
,
较少讨 论 实际波形 形 成过程中 一 些参
数的影响
.
鉴于此
,
本文基于 已 有激光回 波 模拟的
研究
,
探讨实际环境中的地物反射率
、
发射波形以及
激光断面阵列
(
)
对激光回波仿真精度的影响
.
基本原理
21
回波仿真的原理
卫星上的激光探测器按照一定的时间间隔对回
波脉冲进行采样
,
利用该时 间 段内的累 积 光子数表
示激光回波在该时段的回波能量强度值
.
探测器输
出的信号经过探测 增益
、
信号积分 以 及模数转 换 等
过程
,
最终转换为计算 机 可以处理 的 数字信号
.
根
据
[
,
]
的推导
,
当 探 测 器 带 宽 远 大 于 信 号
带宽时
,
激光雷达内部积分器模型可表示为
h
(
t
)
=
e
/
t
,
t
t
/
,
t
t
/
{
, (
)
式中
:
e
为 电 子 电 荷
;
t
为 采 样 间 隔
.
此 时 激 光 探
测器对接收的回波输出可表示为
E
[
i
(
t
)]
=
G
p
(
t
)
h
(
t
)
=
G
t
+
t
/
t
-
t
/
e
t
p
(
t
)
τ
Ge
p
(
t
), (
)
式中
:
G
为增益值
;
p
(
t
)
为接收到 的 脉冲信号
;
i
(
t
)
为接收信号经过接 收 系统增益 和 积分之后 的 结果
,
即
i
(
t
)
G
p
(
t
)
h
(
t
);
表示卷积 运 算
.
接收回
波的脉冲光子数可以表示为不同时刻接收到的脉冲
信号的积分
,
即
N
=
¥
p
(
t
)
t
=
Ge
¥
i
(
t
)
t
. (
)
实际地物目标可以 看作由不 同 的散射体 组 成
,
对单
一的散射体
,
探测器接收的回波脉冲能量
(
累积的光
子数
)
可以表示为
‹
N
›
=
E
Ge
¥
i
(
t
)
t
é
ë
ê
ê
ù
û
ú
ú
=
E
hv
A
R
ρ
θ
T
η
,
(
)
式中
:
E
为发射脉冲能量
;
h
为普朗克常 量
;
v
为激
光频率
;
A
为望远镜 接收孔径的 面积
;
R
为激光器
到目标 的 距 离
,
R
H
/
φ
,
H
为 轨 道 高 度
,
φ
为
激光指向角
,
即激光 光 轴与天底 方 向 的 夹 角
;
T
为
单程大 气 影 响
;
η
为 光 子 探 测 效 率
;
ρ
为 地 表 反 射
率
;
θ
为 地 表 反 射 面 法 向 量 与 望 远 镜 视 场 方 向 的
夹角
.
由于 实际地表多 是非均匀且 异质的
,
激光的回
波能量会受到地表 粗糙度和 坡 度的影响
,
因此采用
细分地形的方 式 将
光 斑 范 围 内 的 地 形 网 格
化
.
当网格单元足 够小时
,
可认为网 格 内的地表 是
均匀同质的
,
从而对每个网格计算回波光子数
,
即
‹
N
›
i
=
E
,
i
hv
A
R
i
ρ
i
θ
i
T
η
, (
)
式中
:
E
,
i
为单位网格对应的发射脉冲能量值
,
其在
空间上服从二维高斯分布
;
R
i
为不同网格到激光接
收器 的 距 离
;
ρ
i
为 单 位 网 格 对 应 的 地 物 反 射 率
;
θ
i
为单位网格 反 射 面 法 向 量 与 望 远 镜 视 场 方 向 的 夹
角
.
将后向散射的光 子数按探测 器采样频率
(
t
)
进行记 录
,
获 得 若 干 层 光 子 数 的 累 加 和
,
记 作
地物响应函数
N
(
t
),
其中划分 层 次
m
由地物到 激
光接收器的最大距离
R
、
最小距离
R
以及
t
确
定
,
即
m
(
R
R
)/
t
.
由于发射脉冲能量在
时间上服从高斯分 布
,
因此探测 系 统接收的 回 波信
号可以视为发射波形与地物响应函数的卷积
,
即
F
(
t
)
=
T
(
t
)
N
(
t
)
=
m
-
n
T
(
n
)
N
(
t
-
n
),(
)
式中
:
T
(
t
)
为发射波形
.
22
回波仿真方法
本课 题组根据回 波仿真原理 建立回波模 型
,
并
对回波仿真过程进行实验
,
实验流程如图
所示
.
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