星载激光测高.

蔡银桥（中科院上海技物所)星载激光高度计对地观测数据处理与系统检校国家测绘地理信息局技术交流报告[e-mail]:15601881970主要内容数据处理激光测距激光光束精确定向(PAD)激光测高误差测距纠正激光光束指向纠正系统检校系统误差检校数据质量验证激光雷达相关概念定义：将激光发射到目标表面，通过分析回波信号进行测距的一种遥感技术。按照激光测距应用范围或者平台，可以分为地面激光扫描仪(TerrestrialLaserScanner,TLS)，主要用于近景三维测量；机载激光雷达，可用于地面DEM、森林覆盖测量；LightDetectionAndRanging(LIDARorLiDAR)AirborneLaserScanner(ALS)星载激光高度计(SpaceborneLaserAltimeter,SatelliteLaserAltimeter)，可用于行星地形、地球南北极测量，林业测量。激光雷达基本概念—激光测距脉冲测距（PulsedRanging）：利用脉冲发射和往返之间的时间间隔进行测距。计算公式：相位法测距(PhaseRanging)：通过测量发射信号和接收信号之间的相位差进行测距。计算公式：T=2c=4激光测高坐标系统飞行器体固坐标系:有时候代指激光仪器的光机坐标系统，X轴指向天顶方向，Z轴垂直于轨道面向上，Y轴与这两轴构成正交系统。天球坐标系：ICRF适合天体目标描述的惯性参考系统。Z轴指向地球北极，X轴指向春分方向，Y轴与这两轴构成正交系统。WGS-84坐标系:是GPS采用的一种地心地固系。星敏/陀螺仪坐标系：Z轴定义为瞄准方向，X与垂直于轨道向下，Y轴与这两轴构成正交系统。地球参考坐标系：ITRF是地固坐标框架，原点位于地球质心。激光点在地球表面位置最终会转换到地面参考框架。（一）激光测高卫星激光测高示意图GLASnlasernR地球表面的激光光斑nspot•nR：是指激光光束指向，由星敏、陀螺仪、激光参考相机确定；•nlaser：是指激光光束参考起始点的几何中心位置矢量，由GPS、SLR测定；•nspot：待求激光光斑位置矢量。激光光斑大地坐标激光光程测量起始参考点相对飞行器质心位置有固定偏移量Δr；nlaser在国际天球坐标系(ICRF)下定义，但Δr和nR在飞行器体固坐标系中定义；飞行器定姿（PAD）确定了飞行器体固系和天球系之间的转换关系TSC_ICRF；确定激光光斑在ICRF中的位置：将激光光斑转换至地固系(ITRF)根据参考椭球体参数，将ITRF中的直角坐标转换到大地坐标,(,,)(,,)spotspotspotfexyzh_ITRFICRFspotICRFITRFspotTnn_()ICRFspotlaserSCICRFRTrnnn（二）激光测距GLAS激光测高计算过程—激光时间确定根据波形确定激光脉冲的时间差:激光到观测表面的距离可表示为:激光脉冲到达观测表面的时间为:tTT接受发射12Rct12LaserTTt发射发射脉冲接收脉冲时间激光强度激光飞行时间波形数据处理—正则化与数据平滑正则化：激光波形分析第一步是信号的正则化，即将单个返回电压除以总的接收能量，这样波形积分之和为单位值1。返回波形之间的总能量并不是固定值，正则化可以让不同脉冲形状进行比较。背景噪声是需要剔除的误差源，可以采用波形平滑滤波器处理。1nnormNiiVVV波形数据处理—波形分解波形分解：波形处理的目的是要将波形分解成多个脉冲的集合，通过记录各个脉冲信号的特征来描述不同地物的位置或反射密度等信息。其中f(x):系统波形；fi(x)：分解后的高斯波形；A振幅；ti:波峰位置，s为方差。波幅时间122()()()exp()2niiiiyfxfxxtfxAs大气折射对激光测距产生影响当激光脉冲穿过大气层时，激光光束发生的折射造成激光脉冲传输延迟，因此必须对星载激光测高仪系统原始的距离测量值进行大气延迟的改正。ΔLz为为天顶延迟项，可以简化为由气压造成的干项延迟ΔRH和由可降水量造成的湿项延迟ΔRW之和:m为与高度角相关映射函数=(,)ZRmPL大气15=2.2582=8.083410HSWWRgPRP1/sinm潮汐改正潮汐改正：由于太阳、月亮和地球之间的相互引力作用，导致地球内部和海平面的周期性变化，从而导致激光测距产生偏差。潮汐改正与测量时间密切相关。海洋潮：1-3m。固体潮：30cm。误差纠正后的激光测距在经过大气折射改正和潮汐改正后，激光测距可以表示为：仪器本身测距误差，可以在实验中确定。012RRRRRR其它误差除了大气和潮汐对激光测距产生较大偏差外，其它可能影响测距精度的误差包括：时钟同步误差大气前向散射卫星轨道误差……上述误差大小在几个厘米以内，可以作为残差保留于激光测距中。（三）激光光束定向导致激光光束变化的原因温度变化平台震动激光指向偏移光束指向误差对激光测距产生影响激光高度计αSθtansS•激光光束指向不但对光斑的位置有直接影响，还会与地形坡度一起影响测距精度。导致激光测距偏差的简单估算公式：•假设S=600km,θ=1arcsecond，倾角α为1°、2°、3°时产生的测距偏差达到5cm、10cm、15cm。激光光束定向飞行器定姿星敏激光光束定向LPALRS陀螺仪激光光束精确定向LPA:激光光束的拍摄方向通过激光轮廓阵列仪（LaserProfilingArray）以40Hz的频率来记录。LPA观测到的40Hz的激光图像的质心必须先在LRS定位，再在SCF中定位。最后，通过合适的坐标变换就可以得到在TRF和CRF里40Hz激光光束指向。LRS：利用激光参考望远镜将瞄准参考源的一部分发射激光脉冲和光束进行提取和重定向。GLAS激光以40Hz的频率发射，LRS以10Hz的频率观测激光。GLAS激光光束精确定向主要结构•OpticalBench(OB):光机平台•StarTracker(ST):星敏•Gyro:陀螺仪•LaserReferenceSensor(LRS):激光参考相机•LRC：激光参照相机•LPA：激光断面仪激光光束定向主要传感器激光点瞄准参考点恒星激光点恒星激光断面图像：小视场、高分辨率激光参考相机图像：中视场、高分辨率星敏图像：大视场、低分辨率LaserReferenceCamera40HzLPA80Х80CCDBPF/lensLaserRef.Sensor(10Hz)天顶Allign.LTR’S星场陀螺仪HRG星敏4-10HzCRSADS(定姿系统)GLAS激光(40pps)天底半透明LTR半透明LTRLRS（CCD阵列）激光参考望远镜（LRT）根据激光强度确定激光在激光轮廓仪的质心平均位置可以按照以下方式计算：,,,,()iLPAiLPAmnxyFI,1,1NiLPALPANiLPALPAxxNyyN激光质心精确定向LPA与LRS之间的转换•LRS激光的平均位置可以按照下面方法计算：•假定K是两个图像的大小差异比例，每个投影到LRS图像后的LPA中心：LRSLPA(yLRS,yLRS)(yLPA,yLPA),1,1NiLRSLRSNiLRSLRSxxNyyN,_,,_,()()iLPALRSiLPALPALRSiLPALRSiLPALPALRSxKxxxyKyyyLRS与星敏之间的转换星敏yoffsetxoffsetOLRSOST激光参考相机恒星激光点•xoffset、yoffset：是指星敏图像与激光参考相机图像之间的偏差，理想状况下，这两个图帧共享共同的原点。在实际情形里，这两个原点可能会有偏差。该偏差以LRS在SCF里原点坐标表示。•θ：LRS视场相对于SCF旋转的角度。•F：由焦距变化导致两个视场的比例大小F可能变化。•通过恒星在激光参考相机(LRC)和星敏中的坐标，确定LRC与星敏的坐标转换关系___cossin_sincosstarSToffsetstarLRSstarSToffsetstarLRSxxxFyyy(,,,)offsetoffsetFxy•利用确定激光点在星敏视场的位置()(,,,)offsetoffsetFxy__,laserSTlaserSTxy'ˆˆˆcossinˆˆˆˆsincoslaserSToffsetlaserLRSlaserSToffsetlaserLRSxxxFyyy激光光束矢量确定激光点投影到星敏坐标系后，利用星敏CCD相机焦距f，确定激光光束指向单位矢量。激光光程矢量:利用星敏测得的姿态矩阵、光机平台与星敏之间平移，可以将激光光程从星敏系转换到天球系中。XYxyfnnRtn光行差对激光指向影响V=-Vs/c/sin5.2scvvcc光行差：在激光传输过程中相对地面具有一定的速度，导致激光光束方向发生变化。PAD流程图LPALRCCRSLRT恒星陀螺仪星敏姿态矩阵CRFOBFSCF对齐矩阵（四）系统检校与验证红外相机检校在检校场布设一系列规则红外发射器在夜间卫星过顶时同步飞行观测检校场根据激光光斑和红外发射器的相对位置关系确定激光光斑的真实坐标将真实坐标值与定位模型计算得到的坐标进行对比检核。通过红外发射器检校在检校场布设一系列规则、密度较高的红外发射器，用于捕获卫星过顶时的激光光斑信号不受时间限制，黑天白夜都可以被触发的探测器的已知位置可以获取激光光斑的位置测距和安装参数估计—验证地形测绘南极的麦克默多干燥谷（AntarcticDryValleys）莫哈韦沙漠（MojaveDesert）8天数据、指向7个不同观测带ICESat轨迹分布更密，总共15次不同ICESat数据可以利用测距和安装参数估计—激光测距偏差估计00波形强度样本个数4080272544GLAS实测波形模拟波形估计参数条件：•发射脉宽•脉冲形状•不同高程点形状基本原理：通过计算激光脉冲发射和返回的时间延迟来进行测距偏差估计。测距和安装参数估计—激光光束指向估计(1)Z激光Z平台Y激光X激光Y平台X平台实测平面{(xi,yi,zi)}R激光参考中心(x,y,z)xy•激光坐标系各个轴等效于安装在绕光机平台X轴旋转角度、绕绕光机平台Y轴旋转角度的后三个轴。•目标：建立激光测距误差与之间的关系；xy、测距和安装参数估计—激光光束指向估计(2)主要计算步骤：（1）将测距矢量R从光机坐标系转换到国际地球参考框架(ITRF)下;（2）根据距离矢量建立观测方程：（3）对R求偏导，得到误差方程_//_(,)RITRFITRFICRFICRFOBROBxyTTnn_iiiiRITRFiizaxbycxxRyyzzn(,)xyRfa,,,,,fbcxyz函数包含已知量0ixyxyRRRR0,,xyRGLAS高程质量检核—距离偏差检测•利用平坦平面，指向误差对测距的影响最小，在亚厘米级。•测距偏差的确定还与POD精度、对流层延迟、前向散射相关。•在检校/验证中使用的平坦表面，其采用的地固地心参考框架必须与POD的一致。RΔRGLAS高程质量检核—距离偏差检测•平坦表面的定位必须在同样的用于POD的地固、地心参考框架里明确。•使用地面上的动态或静态GPS测量和机载高度计获取地面特征。平坦盐滩•海洋代表了使用雷达测高仪表达的另一个平坦表面。•在海洋上检校需要进行长时间海洋扫描以获取足够的数据。数据质量验证星载激光高度计的数据质量验证主要是通过其获取的高程与地面实测高程之间的差异，以评