專利名稱：一種全面的激光測高回波仿真方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及遙感探測技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種全面的激光測高回波仿真方法。
背景技術(shù)：
天基遙感探測技術(shù)是地球科學領(lǐng)域的重要技術(shù)，其中天基激光測高是利用衛(wèi)星搭 載激光測高儀、從太空對星球表面輪廓進行探測。天基激光測高的工作原理為，天基激光器 持續(xù)地向地面發(fā)射激光，激光光束穿越大氣到達地面后產(chǎn)生微弱的后向散射回波，該散射 回波再次穿越大氣被測高系統(tǒng)中的望遠鏡所接收；通過光電探測器將激光回波轉(zhuǎn)換成電脈 沖回波，通過分析該電脈沖回波的渡越時間T0F(time of flight)得到激光脈沖的渡越時 間，從而獲得地表足跡光斑與測高儀間的距離Rm ；然后通過下式計算激光光斑處的地表高 度hs = [Rs2 +R2m-IRsRm CO^r -Rref式中，Rs是衛(wèi)星軌道半徑，Φ是激光光軸與衛(wèi)星至地心連線的夾角(即天底偏 離角)，Rref是地球參考表面的半徑，通常為大地水準面；激光測高儀的聯(lián)結(jié)方程(link equation)如下Er=E,^^T2aTs
Rm π式中，艮是回波脈沖能量，Et是發(fā)射脈沖能量，I是接收望遠鏡的面積(平方米)， Rm是地表足跡光斑與測高儀間的距離，rs是目標表面反射率(朗伯)，Ta是單程的大氣透 過率，τ 3是系統(tǒng)透過率。顯然，地表足跡光斑內(nèi)的高度分布和地表反射率都會對激光回波 信號產(chǎn)生影響。因此，在I、τ 3和％已知的情況下，如果能夠獲得發(fā)射脈沖信號與回波脈 沖信號，就能夠通過數(shù)據(jù)處理與分析獲取地表足跡光斑內(nèi)的高度分布和反射率信息，從而 為天基激光測高儀增加雷達探測功能。渡越時間的測量精度除了受發(fā)射脈沖寬度和模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器 ADC(Analog-to-digitalConverter)的采樣效應(量化精度和采樣間隔)影響之外，還要受 到地理特征的影響。地理形狀決定了脈沖的拓寬以及回波的整個形狀，地表起伏也會引入 進一步的波形拓寬，地表反射率決定了回波能量。因此，激光測高儀的回波波形包含了地表 結(jié)構(gòu)、起伏和反射率等信息，如何從回波波形中提取這些信息是相關(guān)領(lǐng)域研究者所普遍關(guān) 注的問題。在沒有噪聲，被測表面又具有相同的反射率的情況下，回波波形只取決于發(fā)射波 形和表面幾何形狀。在簡單情況下，如平面或均勻斜坡面，可以推導出描述回波形狀的閉合 表達式。但在復雜的表面地形下，解析推導是無法進行的。數(shù)值模擬有助于分析這些復雜 的因素，研究測高儀設(shè)計參數(shù)、測高性能與地理特征之間的關(guān)系，理解復雜表面特征對回波 形狀的影響，提高測距精度分析。對激光測距的精度分析以及提取回波所蘊含信息的需要 推動了激光測高儀仿真軟件的研制。仿真軟件的用途在于研究激光測高儀各個組成子系 統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)、被測表面復雜的地形特征與回波信號之間的關(guān)系；分析測距精度以及各種因素對測距精度的影響。目前，世界主要發(fā)達國家都在大力發(fā)展天基激光測高技術(shù)，美國明顯處于世界領(lǐng) 先地位。受美國海軍和導彈防御組織支持的位于著名的麻省理工大學的林肯實驗室，為 美國軍方研制了一系列的軍用激光測高系統(tǒng)。而由美國國家航天航空局NASA (National Aeronautics andSpace Administration)組織研制的一系列已經(jīng)出色完成太空任務的 民用天基激光測高系統(tǒng)，同樣能夠反映這一研究領(lǐng)域的世界最新水平。其中最具代表 性的是美國地球觀測系統(tǒng)EOS(EarthObserving System)中的地球科學激光測高系統(tǒng) GLAS(Geoscience Laser Altimeter System)。這是第一個用于連續(xù)全球觀測的激光測高 系統(tǒng)，能夠測量冰被地形和相應的溫度變化，同時也監(jiān)測云層和大氣的特性。此外，由NASA 地球科學探路者計劃資助研制出的植被覆蓋雷達VCUVegetation Canopy Lidar)能夠 通過測量植被的垂直和水平結(jié)構(gòu)以及土壤表面地形來描述地球的三維結(jié)構(gòu)。航天激光測 高系統(tǒng)SLA(Shuttle Laser Altimeter)計劃受到由NASA總部和Goddard空間飛行中心 GSFC(Goddard Space Flight Center)發(fā)起的行星地球任務計劃的支持。由于采用了高速 的模數(shù)采集電路，該裝置能夠分析光斑范圍內(nèi)的地表高度變化。于1996年11月7號升空 的火星勘探號MGS (Mars Global Surveyor)宇宙飛船所攜帶的激光測高系統(tǒng)MOLA(Mars Orbiter LaserAltimeter) -2的距離分辨率為37cm，能夠以約300m的間距探測火星表面輪 廓。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種全面的激光測高回波仿真方法，在已知激光測高儀的硬 件參數(shù)、激光測高儀的飛行參數(shù)、大氣與地表的光學參數(shù)、地面高度模型的條件下，計算出 激光測高儀的足跡光斑的回波波形。為達到上述目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案輸入激光測高儀的硬件參數(shù)；輸入激光測高儀的飛行參數(shù)；輸入大氣與地表的光學參數(shù)；輸入地表高度模型數(shù)據(jù)地表高度模型用矩形點集(X，y，t，cod)來表示，其中X 和y為網(wǎng)格點的橫坐標與縱坐標，表征網(wǎng)格點在與天底方向垂直平面上的位置，t為渡越時 間，COd為網(wǎng)格點的高度模型類型；對地面高度數(shù)據(jù)進行初步的處理，剔除光斑以外的數(shù)據(jù)，保留光斑以內(nèi)的數(shù)據(jù)；在XOy平面組成三角形網(wǎng)格，確定每個三角單元的高度模型類型；根據(jù)發(fā)射脈沖功率面密度的空間分布、三角形單元在光斑內(nèi)的位置和高度模型類 型，計算每個三角單元的功率面密度；選擇計算回波合適的時間單元(time bin)，根據(jù)高度模型類型，確定每個三角單 元渡越時間的分布范圍，根據(jù)每個時間單元所占據(jù)的面積及其功率面密度，計算每個時間 單元的返回光子數(shù)目；將激光光斑內(nèi)每個三角單元的回波信號疊加起來，得到整個光斑內(nèi)的回波信號 H (η)；根據(jù)激光器發(fā)射脈沖功率的時間分布I (η)，利用卷積和求系統(tǒng)對激勵I(lǐng) (η)的響應 Y (η) :Υ(η) = Ι(η)*Η(η)；利用LM方法對有植被覆蓋地面的仿真回波進行高斯擬合，獲得最后一個高斯分 量之外的每個高斯分量的能量與總回波能量的比，將它定義為該層植被在地表足跡光斑內(nèi) 所占據(jù)的有效面積比。所述激光測高儀的硬件參數(shù)包括激光波長、激光發(fā)散角、激光發(fā)射能量、激光脈沖 寬度、望遠鏡接收面積和系統(tǒng)透過率。所述激光測高儀的飛行參數(shù)包括軌道高度Rh和天底偏離角Φ。所述大氣與地表的光學參數(shù)包括大氣透過率和地表反射率。步驟(5)所采用的判據(jù)為(X-Xtl)^(Y-L)2彡a2，其中a為光斑半徑，這里取地表足 跡光斑的3倍空間均方根寬度。本發(fā)明具有以下優(yōu)點和積極效果1)不僅能夠仿真高度分布連續(xù)的裸地面的回波信號，也能夠仿真高度分布斷續(xù)的 植被的回波信號；2)采用規(guī)范化的矩形網(wǎng)格給出地面高度模型，能夠非常方便地進行三角單元的劃 分；3)提出的有效面積比概念能夠指導仿真實驗的設(shè)計，深入研究植被覆蓋有效面積 比變化對回波所產(chǎn)生的影響。4)能夠考慮激光器指向偏離天底方向?qū)夭ǖ挠绊憽?


圖1是本發(fā)明提出的一種全面的激光測高回波仿真方法的流程圖。圖2是三角單元高度模型類型的確定示意圖。圖3是飛行器與地表足跡光斑網(wǎng)格點的距離計算示意圖。圖4是連續(xù)類型三角單元的時間單元劃分示意圖。
具體實施例方式下面以具體實施例結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明本發(fā)明提供的一種全面的激光測高回波仿真方法，如圖1所示，采用如下步驟(1)輸入激光測高儀的硬件參數(shù)；激光測高儀的硬件參數(shù)包括激光波長、激光發(fā)散角、激光發(fā)射能量、激光脈沖寬 度、望遠鏡接收面積和系統(tǒng)透過率。例如，對于航天測高儀Shuttle Laser Altimeter II(SLA-02)，相應的硬件參數(shù)如下激光波長為1064nm;激光2倍均方根發(fā)散角為 0. 25mrad ；激光發(fā)射單脈沖能量為35mJ ；激光脈沖半高全寬為15nS ；望遠鏡接收面積為 nr2 = 0. 113m2 ；系統(tǒng)透過率為50%。(2)輸入激光測高儀的飛行參數(shù)。激光測高儀的飛行參數(shù)包括軌道高度Rh和天底偏離角Φ。例如，對于航天測高 儀SLA-02，相應的飛行參數(shù)如下軌道高度為281. 945-291. 999km ；天底偏離角是變化的， 每個激光脈沖對應于一個特定的天底偏離角，對于SLA-02的第一次觀測，天底偏離角在 0. 020-1. 708度之間變化。
5
(3)輸入大氣與地表的光學參數(shù)。大氣與地表的光學參數(shù)包括大氣透過率和地表反射率。例如，對于航天測高儀 SLA-02，大氣透過率和地表反射率都是變化的，每個激光脈沖對應于一個特定的大氣透過 率和地表反射率。(4)輸入地表高度模型數(shù)據(jù)地表高度模型用矩形點集(X，y，t，cod)來表示，其中 X和y為網(wǎng)格點的橫坐標與縱坐標，表征網(wǎng)格點在與天底方向垂直平面上的位置，t為渡越 時間，COd為網(wǎng)格點的高度模型類型。地表高度模型數(shù)據(jù)采用一個四維點集來表示，高度模型類型只有兩種——連續(xù)和 間斷對于裸地面，高度模型類型為連續(xù)，用數(shù)字1表示；對于植被，高度模型類型為斷續(xù)， 用數(shù)字O表示。(5)對地面高度數(shù)據(jù)進行初步的處理——剔除光斑以外的數(shù)據(jù)，保留光斑以內(nèi)的 數(shù)據(jù)。所采用的判據(jù)為(X-Xtl) 2+(y-yci)2 < a2，其中a為光斑半徑，這里取地表足跡光斑的 3倍空間均方根寬度。(6)在xoy平面組成三角形網(wǎng)格，確定每個三角單元的高度模型類型。每個三角單元用三個點集A、B和C來表示。將離內(nèi)切圓圓心距離最近的三角形頂 點處的高度模型類型作為該三角單元的高度模型類型。如圖2所示，選擇頂點B的高度模 型類型作為該三角單元的高度模型類型。每個點采用四維坐標(X，y，t，cod)來表示，渡越時間t是根據(jù)飛行器與地表足跡
2/
光斑網(wǎng)格點的距離Rm計算出來的-J = ^l，其中光速c = 299，792，ASSms—1。而飛行器與地
c
表足跡光斑網(wǎng)格點的距離Rm則是根據(jù)激光測高儀軌道高度Rh、地表足跡光斑網(wǎng)格點的高度 hs、偏離天底角Φ和地球參考表面的半徑RMf (通常為大地水準面)計算出來的，如圖3中 所示；R2m -2RsRm — + R2s =(hs +Rref)2式中，Rs = Rh+Rref0這里考慮了激光指向角與天底方向的偏離。(7)根據(jù)發(fā)射脈沖功率面密度的空間分布(xoy平面)、三角單元在光斑內(nèi)的位置 和高度模型類型，計算每個三角單元的功率面密度。假定發(fā)射脈沖功率面密度的空間分布(xoy平面)也呈高斯型
P{x-xo)2+(y-yo)2EA(x,y) = -^je ^~
2πσEt為發(fā)射能量，(x0,y0)為光斑中心點坐標，σ為發(fā)射脈沖的空間均方根寬度。根 據(jù)三角單元在光斑內(nèi)的位置和高度模型類型，計算每個三角單元的功率面密度當高度模 型類型為連續(xù)時，將每個三角單元的內(nèi)切圓圓心處(如圖2中的D點)的功率面密度作為 整個三角形網(wǎng)格的功率面密度；當高度模型類型為間斷時，將離內(nèi)切圓圓心距離最近的三 角形頂點處的功率面密度作為整個三角單元的功率面密度。如圖2所示，選擇頂點B處的 功率面密度作為該三角單元的功率面密度。(8)選擇計算回波合適的時間單元長度；根據(jù)高度模型類型，確定每個三角單元 渡越時間的分布范圍；根據(jù)每個時間單元所占據(jù)的面積及其功率面密度，計算每個時間單
6元的返回光子數(shù)目。首先選擇計算回波合適的時間單元長度，也即time bin寬度。一般說來，時間單元 的寬度越小，回波的計算就越精確，但同時計算量也就越大。通常選擇發(fā)射脈沖的3倍均方 根寬度的千分之一到百分之一之間。對于天基激光測高儀，選擇0. InS通常是合適的。隨 后根據(jù)三角單元高度模型類型，確定每個三角單元的渡越時間分布范圍當高度模型類型 為連續(xù)時，比較三角單元三個頂點處的渡越時間tA、tB和tc，找出最小值和最大值。這里假 定最小值為tA，最大值為t。。以選定的時間單元為單位劃分三角單元(圖4)。每個三角單 元內(nèi)采用線性插值；計算三角單元內(nèi)每個所對應的面積An，從而求得每個時間單元所返回 的光子數(shù)目。當高度模型類型為斷續(xù)時，將離內(nèi)切圓圓心D距離最近的三角形頂點B處的 渡越時間作為整個三角單元的渡越時間(如圖2所示)。這樣一來，整個三角單元的返回光 子處于同一個時間單元，根據(jù)三角單元的面積計算該三角單元的返回光子數(shù)目。(9)將激光光斑內(nèi)每個三角單元的回波信號疊加起來，得到整個光斑內(nèi)的回波信 號 H(n)。(10)根據(jù)激光器發(fā)射脈沖功率的離散時間分布I (η)，利用卷積和求系統(tǒng)對激勵 Ι(η)的響應 Y (η) :Υ(η) = Ι(η)*Η(η)。假定激光器發(fā)射脈沖功率的時間分布呈高斯型= 2S式中，A為單脈沖能量，δ為發(fā)射脈沖的時間均方根寬度。然后利用卷積和求系統(tǒng) 對I (η)的響應y(n) :y(n) = I(n)*H(n)。I (η)的時間長度我們?nèi)?倍的均方根寬度。(11)利用LM(Leverberg-Marquardt)方法對有植被覆蓋地面的仿真回波進行高 斯擬合，獲得最后一個高斯分量之外的每個高斯分量的能量與總回波能量的比，將它定義 為該層植被在地表足跡光斑內(nèi)所占據(jù)的有效面積比。LM方法是梯度下降法與高斯一牛頓法的結(jié)合，既具有高斯_牛頓法的局部收斂特 性又具有梯度法的全局特性，而且LM方法利用了誤差指標函數(shù)近似的二階導數(shù)信息，所以 運算速度比梯度法快得多。設(shè)w為擬合的參數(shù)向量，r (w)為擬合數(shù)據(jù)的余量向量，J(W)為 r關(guān)于w的Jacobian矩陣，那么LM方法的形式為Δ w = - [JT (w) J (w) +uI]_1J (w) Tr (w)式中，u是比例系數(shù)，I是單位矩陣。從上式可看出，如果比例系數(shù)U = 0，則為高 斯_牛頓法；如果u取值很大，則LM算法接近梯度下降法。每迭代成功一步，則u減小一 些，這樣在接近誤差目標的時候，逐漸與高斯_牛頓法相似。高斯_牛頓法在接近誤差的最 小值的時候，計算速度更快，精度也更高。LM方法是地球物理學數(shù)據(jù)分析中常用的非線性擬 合方法。植被在地表足跡光斑內(nèi)所占據(jù)的有效面積比不僅與植被在足跡光斑內(nèi)所占據(jù)的 面積有關(guān)，還與植被在光斑中的位置，也即與光斑中心的距離遠近有關(guān)。本發(fā)明提供的一種全面的激光測高回波仿真方法所具備的功能如下能夠計算各種不同參數(shù)的激光測高儀所產(chǎn)生的回波波形；不僅能夠計算高度分布 連續(xù)的裸地面的回波，也能夠計算高度分布斷續(xù)的植被的回波；提出的植被覆蓋有效面積 比概念能夠指導仿真實驗的設(shè)計，從而研究其變化對回波所產(chǎn)生的影響；能夠考慮指向角偏離天底方向?qū)夭ǖ挠绊憽?本發(fā)明所涉及的激光測高回波仿真方法的最大特點是功能全面不僅能夠精確仿 真傾斜或者起伏的裸地面所產(chǎn)生的回波信號，而且能夠精確仿真有植被覆蓋的地面所產(chǎn)生 的回波信號。對于傾斜或者起伏的裸地面，其表面高度的分布通常是連續(xù)的；而對于有植 被覆蓋的地面，植被的高度變化通常是不連續(xù)的。因此在處理地表足跡光斑的數(shù)字地形數(shù) 據(jù)時，必須充分考慮這一點，才能夠得到好的仿真結(jié)果。其次，在本仿真方法中，還提出了植 被和裸地面的有效面積比概念。我們定義植被和裸地面的有效面積比分別為由植被和地面 單獨產(chǎn)生的高斯信號的能量與回波總能量之比。有效面積比雖然不能給出植被在光斑中 所占據(jù)的真實面積與光斑總面積之比，但卻是植被在光斑中所占據(jù)的面積以及該面積在光 斑中的位置的綜合體現(xiàn)。本發(fā)明既能夠精確仿真有植被覆蓋的地面所產(chǎn)生的回波信號，又 能夠通過所提出的植被覆蓋有效面積比概念指導仿真實驗設(shè)計，從而推導地面起伏或者傾 斜、植被厚度和植被覆蓋有效面積等因素變化，對回波所產(chǎn)生的影響，深入探索如何從真實 回波信號反演地形和地物參數(shù)的方法。最后，本發(fā)明還能夠考慮激光指向角不是指向天底 方向，而與天底方向有一定的夾角時所產(chǎn)生的回波。
權(quán)利要求
一種全面的激光測高回波仿真方法，其特征在于，包括以下步驟(1)輸入激光測高儀的硬件參數(shù)；(2)輸入激光測高儀的飛行參數(shù)；(3)輸入大氣與地表的光學參數(shù)；(4)輸入地表高度模型數(shù)據(jù)地表高度模型用矩形點集(x，y，t，cod)來表示，其中x和y為網(wǎng)格點的橫坐標與縱坐標，表征網(wǎng)格點在與天底方向垂直平面上的位置，t為渡越時間，cod為網(wǎng)格點的高度模型類型；(5)對地面高度數(shù)據(jù)進行初步的處理，剔除光斑以外的數(shù)據(jù)，保留光斑以內(nèi)的數(shù)據(jù)；(6)在xoy平面組成三角形網(wǎng)格，確定每個三角單元的高度模型類型；(7)根據(jù)發(fā)射脈沖功率面密度的空間分布、三角形單元在光斑內(nèi)的位置和高度模型類型，計算每個三角單元的功率面密度；(8)選擇計算回波合適的時間單元長度，根據(jù)高度模型類型，確定每個三角單元渡越時間的分布范圍，根據(jù)每個時間單元所占據(jù)的面積及其功率面密度，計算每個時間單元的返回光子數(shù)目；(9)將激光光斑內(nèi)每個三角單元的回波信號疊加起來，得到整個光斑內(nèi)的回波信號H(n)；(10)根據(jù)激光器發(fā)射脈沖功率的時間分布I(n)，利用卷積和求系統(tǒng)對激勵I(lǐng)(n)的響應Y(n)Y(n)＝I(n)*H(n)；(11)利用LM方法對有植被覆蓋地面的仿真回波進行高斯擬合，獲得最后一個高斯分量之外的每個高斯分量的能量與總回波能量的比，將它定義為該層植被在地表足跡光斑內(nèi)所占據(jù)的有效面積比。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全面的激光測高回波仿真方法，其特征在于所述激光測高儀的硬件參數(shù)包括激光波長、激光發(fā)散角、激光發(fā)射能量、激光脈沖寬 度、望遠鏡接收面積和系統(tǒng)透過率。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全面的激光測高回波仿真方法，其特征在于所述激光測高儀的飛行參數(shù)包括軌道高度Rh和天底偏離角Φ。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全面的激光測高回波仿真方法，其特征在于所述大氣與地表的光學參數(shù)包括大氣透過率和地表反射率。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全面的激光測高回波仿真方法，其特征在于步驟(5)所采用的判據(jù)為(X-Xci)^(Yici)2Sa2,其中a為光斑半徑，這里取地表足跡光 斑的3倍空間均方根寬度。
全文摘要
本發(fā)明涉及遙感探測技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種全面的激光測高回波仿真方法。本發(fā)明不僅能夠精確仿真傾斜或者起伏的裸地面所產(chǎn)生的回波信號，而且能夠精確仿真有植被覆蓋的地面所產(chǎn)生的回波信號。在此基礎(chǔ)之上，本發(fā)明還能夠通過所提出的植被覆蓋有效面積比概念指導仿真實驗設(shè)計，從而推導地面起伏或者傾斜、植被厚度和植被覆蓋有效面積等因素變化，對回波所產(chǎn)生的影響，深入探索如何從真實回波信號反演地形和地物參數(shù)的方法。最后，本發(fā)明還能夠考慮激光指向角不是指向天底方向，而與天底方向有一定的夾角時所產(chǎn)生的回波。
文檔編號G01S7/48GK101915912SQ20101022150
公開日2010年12月15日 申請日期2010年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月2日
發(fā)明者何裕金, 余長明, 岳顯昌, 張云鵬, 張紹東, 易帆, 黃春明 申請人:武漢大學