星载激光测高

1、 蔡银桥（中科院上海技物所蔡银桥（中科院上海技物所) ) 星载激光高度计对地观测数据星载激光高度计对地观测数据处理与系统检校处理与系统检校国家测绘地理信息局技术交流报告 2014.11 Tel要内容n数据处理数据处理n激光测距激光测距n激光光束精确定向激光光束精确定向(PAD)(PAD)n激光测高激光测高n误差误差n测距纠正测距纠正n激光光束指向纠正激光光束指向纠正n系统检校系统检校n系统误差检校系统误差检校n数据质量验证数据质量验证激光雷达相关概念激光雷达相关概念n定义：将激光发射到目标表面，通过分析回波信号进定义：将激光发射到目标表面，通过分析回波信号进行测距的一

2、种遥感技术。行测距的一种遥感技术。n按照激光测距应用范围或者平台，可以分为按照激光测距应用范围或者平台，可以分为n地面激光扫描仪地面激光扫描仪(Terrestrial Laser Scanner,TLS)(Terrestrial Laser Scanner,TLS)，主要用于近景，主要用于近景三维测量；三维测量；n机载激光雷达，可用于地面机载激光雷达，可用于地面DEMDEM、森林覆盖测量；、森林覆盖测量；nLight Detection And Ranging(LIDAR or LiDAR)Light Detection And Ranging(LIDAR or LiDAR)nAirborne

3、 Laser Scanner(ALS)Airborne Laser Scanner(ALS)n星载激光高度计星载激光高度计(Spaceborne Laser Altimeter, Satellite Laser (Spaceborne Laser Altimeter, Satellite Laser Altimeter )Altimeter )，可用于行星地形、地球南北极测量，林业测量。，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雷达基本概念激光测距n脉冲测距（脉冲测距（Pulsed RangingPulsed Ranging）：利用脉冲发射和）：利用脉冲发射和往返之间的时

4、间间隔进行测距。计算公式：往返之间的时间间隔进行测距。计算公式： n相位法测距相位法测距(Phase Ranging)(Phase Ranging)：通过测量发射信号：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：和接收信号之间的相位差进行测距。计算公式：T=2c=4激光测高坐标系统激光测高坐标系统n飞行器体固坐标系飞行器体固坐标系: :有时候代指激光仪器的光机坐有时候代指激光仪器的光机坐标系统，标系统，X X轴指向天顶方向，轴指向天顶方向，Z Z轴垂直于轨道面向轴垂直于轨道面向上，上，Y Y轴与这两轴构成正交系统。轴与这两轴构成正交系统。n天球坐标系：天球坐标系： ICRF IC

5、RF适合天体目标描述的惯性参考适合天体目标描述的惯性参考系统。系统。Z Z轴指向地球北极，轴指向地球北极，X X轴指向春分方向，轴指向春分方向，Y Y轴轴与这两轴构成正交系统。与这两轴构成正交系统。nWGS-84WGS-84坐标系坐标系: :是是GPSGPS采用的一种地心地固系。采用的一种地心地固系。n星敏星敏/ /陀螺仪坐标系：陀螺仪坐标系：Z Z轴定义为瞄准方向，轴定义为瞄准方向，X X与垂与垂直于轨道向下，直于轨道向下， Y Y轴与这两轴构成正交系统。轴与这两轴构成正交系统。n地球参考坐标系：地球参考坐标系：ITRFITRF是地固坐标框架，原点位是地固坐标框架，原点位于地球质心。激光点在

6、地球表面位置最终会转换到于地球质心。激光点在地球表面位置最终会转换到地面参考框架。地面参考框架。（一）激光测高卫星激光测高示意图卫星激光测高示意图 nR：是指激光光束指向，由星：是指激光光束指向，由星敏、陀螺仪、激光参考相机确敏、陀螺仪、激光参考相机确定；定； nlaser：是指激光光束参考起始：是指激光光束参考起始点的几何中心位置矢量，由点的几何中心位置矢量，由GPSGPS、SLRSLR测定；测定； nspot：待求激光光斑位置矢量。：待求激光光斑位置矢量。激光光斑大地坐标n激光光程测量起始参考点相对飞行器质心位置有固定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偏移量r；nn nl

7、aserlaser在国际天球坐标系在国际天球坐标系(ICRF)(ICRF)下定义，但下定义，但r和和n nR R在飞行在飞行器体固坐标系中定义；器体固坐标系中定义；n飞行器定姿（飞行器定姿（PADPAD）确定了飞行器体固系和天球系之）确定了飞行器体固系和天球系之间的转换关系间的转换关系T TSC_ICRFSC_ICRF；n确定激光光斑在确定激光光斑在ICRFICRF中的位置：中的位置：n将激光光斑转换至地固系将激光光斑转换至地固系(ITRF)(ITRF)n根据参考椭球体参数，将根据参考椭球体参数，将ITRFITRF中的直角坐标转换到大中的直角坐标转换到大地坐标地坐标,(,)( , , )spo

8、tspotspotf exyzh _ITRFICRFspotICRFITRFspotTnn_()ICRFspotlaserSCICRFRTrnnn（二）激光测距GLASGLAS激光测高计算过程激光测高计算过程激光时间确定n根据波形确定激光脉冲的时间差根据波形确定激光脉冲的时间差: :n激光到观测表面的距离激光到观测表面的距离 可表示为可表示为: :n激光脉冲到达观测表面的时间为激光脉冲到达观测表面的时间为: :tTT 接受发射12Rct12LaserTTt发射波形数据处理正则化与数据平滑n正则化：激光波形分析第一步是信号的正则化，即将正则化：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

9、以总的接收能量，这样波形积分之和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为单位值1 1。n返回波形之间的总能量并不是固定值，正则化可以让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。不同脉冲形状进行比较。n背景噪声是需要剔除的误差源，可以采用波形平滑滤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。波器处理。1nnormNiiVVV波形数据处理波形分解n波形分解：波形处理的目的是要将波形分解成多个脉波形分解：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

10、密度等信息。其中地物的位置或反射密度等信息。其中f(x):f(x):系统波形；系统波形；fi(x)fi(x)：分解后的高斯波形；：分解后的高斯波形；A A振幅；振幅；ti: ti:波峰位置，波峰位置，s s为方为方差。差。122( )( )( )exp()2niiiiyf xf xxtf xAs大气折射对激光测距产生影响n当激光脉冲穿过大气层时，激光光束发生的折射造成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。原始的距离测量值进行大气延迟的改正。nLz为为天顶延迟项

11、，可以简化为由气压造成的干项延为为天顶延迟项，可以简化为由气压造成的干项延迟迟RH和由可降水量造成的湿项延迟和由可降水量造成的湿项延迟RW之和之和: :nm m为与高度角相关映射函数为与高度角相关映射函数= ( , )ZRmPL大气15=2.2582=8.0834 10HSWWRg PRP1/sinm潮汐改正n潮汐改正：由于太阳、月亮和地球之间的相互引潮汐改正：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，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。从而导致激光测距产生偏差。n潮汐改正与测量时间密切相关。潮汐改正与测量时间密切相关。n海洋潮：

12、海洋潮：1-3m1-3m。n固体潮：固体潮：30cm30cm。误差纠正后的激光测距n在经过大气折射改正和潮汐改正后，激光测距可以表在经过大气折射改正和潮汐改正后，激光测距可以表示为示为n ：仪器本身测距误差，可以在实验中确定。：仪器本身测距误差，可以在实验中确定。012RRRRRR其它误差n除了大气和潮汐对激光测距产生较大偏差外，其它可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：能影响测距精度的误差包括：n时钟同步误差时钟同步误差n大气前向散射大气前向散射n卫星轨道误差卫星轨道误差nn上述误差大小在几个厘米以内，可以作为残差保留于上述误差大小在几个厘米以内，可以作为

13、残差保留于激光测距中。激光测距中。（三）激光光束定向导致激光光束变化的原因n温度变化温度变化n平台震动平台震动n激光指向偏移激光指向偏移光束指向误差对激光测距产生影响tansS 激光光束指向不但对光斑的位置有直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距精度。导致激光测距偏差的简单估算公式：算公式： 假设假设S=600km, S=600km, =1arcsecond，倾角，倾角为为1、2、3时产生的测距偏差时产生的测距偏差达到达到5cm5cm、10cm10cm、15cm15cm。激光光束定向激光光束定向飞行器

14、定姿星敏激光光束定向LPALRS陀螺仪激光光束精确定向nLPA:LPA:n激光光束的拍摄方向通过激光轮廓阵列仪（激光光束的拍摄方向通过激光轮廓阵列仪（Laser Profiling Laser Profiling ArrayArray）以）以40Hz40Hz的频率来记录。的频率来记录。nLPALPA观测到的观测到的40Hz40Hz的激光图像的质心必须先在的激光图像的质心必须先在LRSLRS定位，再在定位，再在SCFSCF中定位。最后，通过合适的坐标变换就可以得到在中定位。最后，通过合适的坐标变换就可以得到在TRFTRF和和CRFCRF里里40Hz40Hz激光光束指向。激光光束指向。nLRSLR

15、S：n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。光束进行提取和重定向。nGLASGLAS激光以激光以40Hz40Hz的频率发射，的频率发射，LRSLRS以以10Hz10Hz的频率观测激光。的频率观测激光。GLASGLAS激光光束精确定向主要结构激光光束精确定向主要结构 Optical Bench(OB):Optical Bench(OB):光机平台光机平台 Star Tracker(ST):Star Tracker(ST):星敏星敏 Gyro:Gyro:陀螺仪陀螺仪 Laser Reference Sensor

16、(LRS):Laser Reference Sensor(LRS):激光参考相机激光参考相机 LRCLRC：激光参照相机：激光参照相机 LPALPA：激光断面仪：激光断面仪激光光束定向主要传感器激光光束定向主要传感器n根据激光强度确定激光在激光轮廓根据激光强度确定激光在激光轮廓仪的质心仪的质心 n平均位置可以按照以下方式计算：平均位置可以按照以下方式计算：,()i LPAi LPAm nxyF I,1,1Ni LPALPANi LPALPAxxNyyN激光质心精确定向LPA与LRS之间的转换 LRSLRS激光的平均位置可以按照下激光的平均位置可以按照下面方法计算面方法计算： 假定假定K K是两

17、个图像的大小差异比是两个图像的大小差异比例，每个投影到例，每个投影到LRSLRS图像后的图像后的LPALPA中心中心 ：,1,1Ni LRSLRSNi LRSLRSxxNyyN,_,_,()()i LPALRSi LPALPALRSi LPALRSi LPALPALRSxK xxxyK yyyLRS与星敏之间的转换 x xoffsetoffset、y yoffsetoffset：是指星敏图像与激：是指星敏图像与激光参考相机图像之间的偏差，光参考相机图像之间的偏差，理想状况下，这两个图帧共享理想状况下，这两个图帧共享共同的原点。在实际情形里，共同的原点。在实际情形里，这两个原点可能会有偏差。该这

18、两个原点可能会有偏差。该偏差以偏差以LRSLRS在在SCFSCF里原点坐标表里原点坐标表示。示。 ：LRSLRS视场相对于视场相对于SCFSCF旋转的角旋转的角度。度。 F F：由焦距变化导致两个视场的：由焦距变化导致两个视场的比例大小比例大小F F可能变化。可能变化。 通过恒星在激光参考相机通过恒星在激光参考相机(LRC)(LRC)和星敏中的坐标，和星敏中的坐标，确定确定LRCLRC与星敏的坐标转换关系与星敏的坐标转换关系_cossin_sincosstarSToffsetstarLRSstarSToffsetstarLRSxxxFyyy( , ,)offsetoffsetFxy 利用利用

19、确定激光点在星敏视场的位置确定激光点在星敏视场的位置( )( )( , ,)offsetoffsetFxy_,laserSTlaserSTxycossinsincoslaserSToffsetlaserLRSlaserSToffsetlaserLRSxxxFyyy激光光束矢量确定n激光点投影到星敏坐标系后，利用星敏激光点投影到星敏坐标系后，利用星敏CCDCCD相机焦距相机焦距f f，确定激光光束指向单位矢量确定激光光束指向单位矢量 。n激光光程矢量激光光程矢量: :n利用星敏测得的姿态矩阵、光机平台利用星敏测得的姿态矩阵、光机平台与星敏与星敏之间平移之间平移，可以将激光光程从星敏系转换到天球系

20、中。可以将激光光程从星敏系转换到天球系中。 nnRtn光行差对激光指向影响光行差对激光指向影响/sin5.2s cvvcc光行差：在激光传输过程中相对地光行差：在激光传输过程中相对地面具有一定的速度，导致激光光束面具有一定的速度，导致激光光束方向发生变化。方向发生变化。PADPAD流程图流程图（四）系统检校与验证红外相机检校n在检校场布设一系列规则红外发射在检校场布设一系列规则红外发射器器n在夜间卫星过顶时同步飞行观测检在夜间卫星过顶时同步飞行观测检校场校场n根据激光光斑和红外发射器的相对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位置关系确定激光光斑的真实坐标n将真实坐标值与

21、定位模型计算得到将真实坐标值与定位模型计算得到的坐标进行对比检核。的坐标进行对比检核。通过红外发射器检校n在检校场布设一系列规则、密度较高的红外发射器，用于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捕获卫星过顶时的激光光斑信号n不受时间限制，黑天白夜都可以不受时间限制，黑天白夜都可以n被触发的探测器的已知位置可以获取激光光斑的位置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（Antarctic Dry Valleys）莫哈韦沙漠（Mojave Desert）8天数据、指向7个不同观测带IC

22、ESat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测距和安装参数估计激光测距偏差估计估计参数条件：估计参数条件：发射脉宽发射脉宽脉冲形状脉冲形状不同高程点不同高程点形状形状基本原理：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偏差估计。测距和安装参数估计测距和安装参数估计激光光束指向估计(1) 激光激光坐标系各个轴等效于坐标系各个轴等效于安装在绕安装在绕光机平台光机平台X X轴旋转轴旋转 角度、绕绕光机角度、绕绕光机平台平台Y Y轴旋转轴旋转 角度的角度的后后三个轴。三个轴。 目标：建立激光测距误差与目标：建立激光测距误差与 之之间的关系；间的关系；xy、测距和安装参数估计测距和安装参数估计激光光束指向估计(2)主要计算步骤：主要计算步骤：（1 1）将测距矢量）将测距矢量R R从光机坐标系转换到国际地球参考框架从光机坐标系转换到国际地球参考框架 (ITRF)(ITRF)下下; ;（2 2）根据距离矢量建立观测方程：）根据距离矢量建立观测方程：（3 3）对）对R R求偏导，得到误差方程求偏导，得到误差方程_/_(,)RITRFITRF ICRFICRF OBROBxyTT