星載激光測高

1、 蔡銀橋（中科院上海技物所蔡銀橋（中科院上海技物所) ) 星載激光高度計對地觀測數(shù)據(jù)星載激光高度計對地觀測數(shù)據(jù)處理與系統(tǒng)檢校處理與系統(tǒng)檢校國家測繪地理信息局技術(shù)交流報告 2014.11 Tel要內(nèi)容n數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理n激光測距激光測距n激光光束精確定向激光光束精確定向(PAD)(PAD)n激光測高激光測高n誤差誤差n測距糾正測距糾正n激光光束指向糾正激光光束指向糾正n系統(tǒng)檢校系統(tǒng)檢校n系統(tǒng)誤差檢校系統(tǒng)誤差檢校n數(shù)據(jù)質(zhì)量驗證數(shù)據(jù)質(zhì)量驗證激光雷達相關(guān)概念激光雷達相關(guān)概念n定義：將激光發(fā)射到目標表面，通過分析回波信號進定義：將激光發(fā)射到目標表面，通過分析回波信號進行測距的一

2、種遙感技術(shù)。行測距的一種遙感技術(shù)。n按照激光測距應(yīng)用范圍或者平臺，可以分為按照激光測距應(yīng)用范圍或者平臺，可以分為n地面激光掃描儀地面激光掃描儀(Terrestrial Laser Scanner,TLS)(Terrestrial Laser Scanner,TLS)，主要用于近景，主要用于近景三維測量；三維測量；n機載激光雷達，可用于地面機載激光雷達，可用于地面DEMDEM、森林覆蓋測量；、森林覆蓋測量；nLight Detection And Ranging(LIDAR or LiDAR)Light Detection And Ranging(LIDAR or LiDAR)nAirborne

3、 Laser Scanner(ALS)Airborne Laser Scanner(ALS)n星載激光高度計星載激光高度計(Spaceborne Laser Altimeter, Satellite Laser (Spaceborne Laser Altimeter, Satellite Laser Altimeter )Altimeter )，可用于行星地形、地球南北極測量，林業(yè)測量。，可用于行星地形、地球南北極測量，林業(yè)測量。激光雷達基本概念激光雷達基本概念激光測距n脈沖測距（脈沖測距（Pulsed RangingPulsed Ranging）：利用脈沖發(fā)射和）：利用脈沖發(fā)射和往返之間的時

4、間間隔進行測距。計算公式：往返之間的時間間隔進行測距。計算公式： n相位法測距相位法測距(Phase Ranging)(Phase Ranging)：通過測量發(fā)射信號：通過測量發(fā)射信號和接收信號之間的相位差進行測距。計算公式：和接收信號之間的相位差進行測距。計算公式：T=2c=4激光測高坐標系統(tǒng)激光測高坐標系統(tǒng)n飛行器體固坐標系飛行器體固坐標系: :有時候代指激光儀器的光機坐有時候代指激光儀器的光機坐標系統(tǒng)，標系統(tǒng)，X X軸指向天頂方向，軸指向天頂方向，Z Z軸垂直于軌道面向軸垂直于軌道面向上，上，Y Y軸與這兩軸構(gòu)成正交系統(tǒng)。軸與這兩軸構(gòu)成正交系統(tǒng)。n天球坐標系：天球坐標系： ICRF IC

5、RF適合天體目標描述的慣性參考適合天體目標描述的慣性參考系統(tǒng)。系統(tǒng)。Z Z軸指向地球北極，軸指向地球北極，X X軸指向春分方向，軸指向春分方向，Y Y軸軸與這兩軸構(gòu)成正交系統(tǒng)。與這兩軸構(gòu)成正交系統(tǒng)。nWGS-84WGS-84坐標系坐標系: :是是GPSGPS采用的一種地心地固系。采用的一種地心地固系。n星敏星敏/ /陀螺儀坐標系：陀螺儀坐標系：Z Z軸定義為瞄準方向，軸定義為瞄準方向，X X與垂與垂直于軌道向下，直于軌道向下， Y Y軸與這兩軸構(gòu)成正交系統(tǒng)。軸與這兩軸構(gòu)成正交系統(tǒng)。n地球參考坐標系：地球參考坐標系：ITRFITRF是地固坐標框架，原點位是地固坐標框架，原點位于地球質(zhì)心。激光點在

6、地球表面位置最終會轉(zhuǎn)換到于地球質(zhì)心。激光點在地球表面位置最終會轉(zhuǎn)換到地面參考框架。地面參考框架。（一）激光測高衛(wèi)星激光測高示意圖衛(wèi)星激光測高示意圖 nR：是指激光光束指向，由星：是指激光光束指向，由星敏、陀螺儀、激光參考相機確敏、陀螺儀、激光參考相機確定；定； nlaser：是指激光光束參考起始：是指激光光束參考起始點的幾何中心位置矢量，由點的幾何中心位置矢量，由GPSGPS、SLRSLR測定；測定； nspot：待求激光光斑位置矢量。：待求激光光斑位置矢量。激光光斑大地坐標n激光光程測量起始參考點相對飛行器質(zhì)心位置有固定激光光程測量起始參考點相對飛行器質(zhì)心位置有固定偏移量偏移量r；nn nl

7、aserlaser在國際天球坐標系在國際天球坐標系(ICRF)(ICRF)下定義，但下定義，但r和和n nR R在飛行在飛行器體固坐標系中定義；器體固坐標系中定義；n飛行器定姿（飛行器定姿（PADPAD）確定了飛行器體固系和天球系之）確定了飛行器體固系和天球系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系間的轉(zhuǎn)換關(guān)系T TSC_ICRFSC_ICRF；n確定激光光斑在確定激光光斑在ICRFICRF中的位置：中的位置：n將激光光斑轉(zhuǎn)換至地固系將激光光斑轉(zhuǎn)換至地固系(ITRF)(ITRF)n根據(jù)參考橢球體參數(shù)，將根據(jù)參考橢球體參數(shù)，將ITRFITRF中的直角坐標轉(zhuǎn)換到大中的直角坐標轉(zhuǎn)換到大地坐標地坐標,(,)( , , )spo

8、tspotspotf exyzh _ITRFICRFspotICRFITRFspotTnn_()ICRFspotlaserSCICRFRTrnnn（二）激光測距GLASGLAS激光測高計算過程激光測高計算過程激光時間確定n根據(jù)波形確定激光脈沖的時間差根據(jù)波形確定激光脈沖的時間差: :n激光到觀測表面的距離激光到觀測表面的距離 可表示為可表示為: :n激光脈沖到達觀測表面的時間為激光脈沖到達觀測表面的時間為: :tTT 接受發(fā)射12Rct12LaserTTt發(fā)射波形數(shù)據(jù)處理正則化與數(shù)據(jù)平滑n正則化：激光波形分析第一步是信號的正則化，即將正則化：激光波形分析第一步是信號的正則化，即將單個返回電壓除

9、以總的接收能量，這樣波形積分之和單個返回電壓除以總的接收能量，這樣波形積分之和為單位值為單位值1 1。n返回波形之間的總能量并不是固定值，正則化可以讓返回波形之間的總能量并不是固定值，正則化可以讓不同脈沖形狀進行比較。不同脈沖形狀進行比較。n背景噪聲是需要剔除的誤差源，可以采用波形平滑濾背景噪聲是需要剔除的誤差源，可以采用波形平滑濾波器處理。波器處理。1nnormNiiVVV波形數(shù)據(jù)處理波形分解n波形分解：波形處理的目的是要將波形分解成多個脈波形分解：波形處理的目的是要將波形分解成多個脈沖的集合，通過記錄各個脈沖信號的特征來描述不同沖的集合，通過記錄各個脈沖信號的特征來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):系統(tǒng)波形；系統(tǒng)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為方為方差。差。122( )( )( )exp()2niiiiyf xf xxtf xAs大氣折射對激光測距產(chǎn)生影響n當(dāng)激光脈沖穿過大氣層時，激光光束發(fā)生的折射造成當(dāng)激光脈沖穿過大氣層時，激光光束發(fā)生的折射造成激光脈沖傳輸延遲，因此必須對星載激光測高儀系統(tǒng)激光脈沖傳輸延遲，因此必須對星載激光測高儀系統(tǒng)原始的距離測量值進行大氣延遲的改正。原始的距離測量值進行大氣延遲的改正。nLz為為天頂延遲項

11、，可以簡化為由氣壓造成的干項延為為天頂延遲項，可以簡化為由氣壓造成的干項延遲遲RH和由可降水量造成的濕項延遲和由可降水量造成的濕項延遲RW之和之和: :nm m為與高度角相關(guān)映射函數(shù)為與高度角相關(guān)映射函數(shù)= ( , )ZRmPL大氣15=2.2582=8.0834 10HSWWRg PRP1/sinm潮汐改正n潮汐改正：由于太陽、月亮和地球之間的相互引潮汐改正：由于太陽、月亮和地球之間的相互引力作用，導(dǎo)致地球內(nèi)部和海平面的周期性變化，力作用，導(dǎo)致地球內(nèi)部和海平面的周期性變化，從而導(dǎo)致激光測距產(chǎn)生偏差。從而導(dǎo)致激光測距產(chǎn)生偏差。n潮汐改正與測量時間密切相關(guān)。潮汐改正與測量時間密切相關(guān)。n海洋潮：

12、海洋潮：1-3m1-3m。n固體潮：固體潮：30cm30cm。誤差糾正后的激光測距n在經(jīng)過大氣折射改正和潮汐改正后，激光測距可以表在經(jīng)過大氣折射改正和潮汐改正后，激光測距可以表示為示為n ：儀器本身測距誤差，可以在實驗中確定。：儀器本身測距誤差，可以在實驗中確定。012RRRRRR其它誤差n除了大氣和潮汐對激光測距產(chǎn)生較大偏差外，其它可除了大氣和潮汐對激光測距產(chǎn)生較大偏差外，其它可能影響測距精度的誤差包括：能影響測距精度的誤差包括：n時鐘同步誤差時鐘同步誤差n大氣前向散射大氣前向散射n衛(wèi)星軌道誤差衛(wèi)星軌道誤差nn上述誤差大小在幾個厘米以內(nèi)，可以作為殘差保留于上述誤差大小在幾個厘米以內(nèi)，可以作為

13、殘差保留于激光測距中。激光測距中。（三）激光光束定向?qū)е录す夤馐兓脑騨溫度變化溫度變化n平臺震動平臺震動n激光指向偏移激光指向偏移光束指向誤差對激光測距產(chǎn)生影響tansS 激光光束指向不但對光斑的位置有直激光光束指向不但對光斑的位置有直接影響，還會與地形坡度一起影響測接影響，還會與地形坡度一起影響測距精度。導(dǎo)致激光測距偏差的簡單估距精度。導(dǎo)致激光測距偏差的簡單估算公式：算公式： 假設(shè)假設(shè)S=600km, S=600km, =1arcsecond，傾角，傾角為為1、2、3時產(chǎn)生的測距偏差時產(chǎn)生的測距偏差達到達到5cm5cm、10cm10cm、15cm15cm。激光光束定向激光光束定向飛行器

14、定姿星敏激光光束定向LPALRS陀螺儀激光光束精確定向nLPA:LPA:n激光光束的拍攝方向通過激光輪廓陣列儀（激光光束的拍攝方向通過激光輪廓陣列儀（Laser Profiling Laser Profiling ArrayArray）以）以40Hz40Hz的頻率來記錄。的頻率來記錄。nLPALPA觀測到的觀測到的40Hz40Hz的激光圖像的質(zhì)心必須先在的激光圖像的質(zhì)心必須先在LRSLRS定位，再在定位，再在SCFSCF中定位。最后，通過合適的坐標變換就可以得到在中定位。最后，通過合適的坐標變換就可以得到在TRFTRF和和CRFCRF里里40Hz40Hz激光光束指向。激光光束指向。nLRSLR

15、S：n利用激光參考望遠鏡將瞄準參考源的一部分發(fā)射激光脈沖和利用激光參考望遠鏡將瞄準參考源的一部分發(fā)射激光脈沖和光束進行提取和重定向。光束進行提取和重定向。nGLASGLAS激光以激光以40Hz40Hz的頻率發(fā)射，的頻率發(fā)射，LRSLRS以以10Hz10Hz的頻率觀測激光。的頻率觀測激光。GLASGLAS激光光束精確定向主要結(jié)構(gòu)激光光束精確定向主要結(jié)構(gòu) Optical Bench(OB):Optical Bench(OB):光機平臺光機平臺 Star Tracker(ST):Star Tracker(ST):星敏星敏 Gyro:Gyro:陀螺儀陀螺儀 Laser Reference Sensor

16、(LRS):Laser Reference Sensor(LRS):激光參考相機激光參考相機 LRCLRC：激光參照相機：激光參照相機 LPALPA：激光斷面儀：激光斷面儀激光光束定向主要傳感器激光光束定向主要傳感器n根據(jù)激光強度確定激光在激光輪廓根據(jù)激光強度確定激光在激光輪廓儀的質(zhì)心儀的質(zhì)心 n平均位置可以按照以下方式計算：平均位置可以按照以下方式計算：,()i LPAi LPAm nxyF I,1,1Ni LPALPANi LPALPAxxNyyN激光質(zhì)心精確定向LPA與LRS之間的轉(zhuǎn)換 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計算面方法計算： 假定假定K K是兩

17、個圖像的大小差異比是兩個圖像的大小差異比例，每個投影到例，每個投影到LRSLRS圖像后的圖像后的LPALPA中心中心 ：,1,1Ni LRSLRSNi LRSLRSxxNyyN,_,_,()()i LPALRSi LPALPALRSi LPALRSi LPALPALRSxK xxxyK yyyLRS與星敏之間的轉(zhuǎn)換 x xoffsetoffset、y yoffsetoffset：是指星敏圖像與激：是指星敏圖像與激光參考相機圖像之間的偏差，光參考相機圖像之間的偏差，理想狀況下，這兩個圖幀共享理想狀況下，這兩個圖幀共享共同的原點。在實際情形里，共同的原點。在實際情形里，這兩個原點可能會有偏差。該這

18、兩個原點可能會有偏差。該偏差以偏差以LRSLRS在在SCFSCF里原點坐標表里原點坐標表示。示。 ：LRSLRS視場相對于視場相對于SCFSCF旋轉(zhuǎn)的角旋轉(zhuǎn)的角度。度。 F F：由焦距變化導(dǎo)致兩個視場的：由焦距變化導(dǎo)致兩個視場的比例大小比例大小F F可能變化?？赡茏兓?。 通過恒星在激光參考相機通過恒星在激光參考相機(LRC)(LRC)和星敏中的坐標，和星敏中的坐標，確定確定LRCLRC與星敏的坐標轉(zhuǎn)換關(guān)系與星敏的坐標轉(zhuǎn)換關(guān)系_cossin_sincosstarSToffsetstarLRSstarSToffsetstarLRSxxxFyyy( , ,)offsetoffsetFxy 利用利用

19、確定激光點在星敏視場的位置確定激光點在星敏視場的位置( )( )( , ,)offsetoffsetFxy_,laserSTlaserSTxycossinsincoslaserSToffsetlaserLRSlaserSToffsetlaserLRSxxxFyyy激光光束矢量確定n激光點投影到星敏坐標系后，利用星敏激光點投影到星敏坐標系后，利用星敏CCDCCD相機焦距相機焦距f f，確定激光光束指向單位矢量確定激光光束指向單位矢量 。n激光光程矢量激光光程矢量: :n利用星敏測得的姿態(tài)矩陣、光機平臺利用星敏測得的姿態(tài)矩陣、光機平臺與星敏與星敏之間平移之間平移，可以將激光光程從星敏系轉(zhuǎn)換到天球系

20、中?？梢詫⒓す夤獬虖男敲粝缔D(zhuǎn)換到天球系中。 nnRtn光行差對激光指向影響光行差對激光指向影響/sin5.2s cvvcc光行差：在激光傳輸過程中相對地光行差：在激光傳輸過程中相對地面具有一定的速度，導(dǎo)致激光光束面具有一定的速度，導(dǎo)致激光光束方向發(fā)生變化。方向發(fā)生變化。PADPAD流程圖流程圖（四）系統(tǒng)檢校與驗證紅外相機檢校n在檢校場布設(shè)一系列規(guī)則紅外發(fā)射在檢校場布設(shè)一系列規(guī)則紅外發(fā)射器器n在夜間衛(wèi)星過頂時同步飛行觀測檢在夜間衛(wèi)星過頂時同步飛行觀測檢校場校場n根據(jù)激光光斑和紅外發(fā)射器的相對根據(jù)激光光斑和紅外發(fā)射器的相對位置關(guān)系確定激光光斑的真實坐標位置關(guān)系確定激光光斑的真實坐標n將真實坐標值與

21、定位模型計算得到將真實坐標值與定位模型計算得到的坐標進行對比檢核。的坐標進行對比檢核。通過紅外發(fā)射器檢校n在檢校場布設(shè)一系列規(guī)則、密度較高的紅外發(fā)射器，用于在檢校場布設(shè)一系列規(guī)則、密度較高的紅外發(fā)射器，用于捕獲衛(wèi)星過頂時的激光光斑信號捕獲衛(wèi)星過頂時的激光光斑信號n不受時間限制，黑天白夜都可以不受時間限制，黑天白夜都可以n被觸發(fā)的探測器的已知位置可以獲取激光光斑的位置被觸發(fā)的探測器的已知位置可以獲取激光光斑的位置測距和安裝參數(shù)估計測距和安裝參數(shù)估計驗證地形測繪南極的麥克默多干燥谷（Antarctic Dry Valleys）莫哈韋沙漠（Mojave Desert）8天數(shù)據(jù)、指向7個不同觀測帶IC

22、ESat軌跡分布更密，總共15次不同ICESat數(shù)據(jù)可以利用測距和安裝參數(shù)估計測距和安裝參數(shù)估計激光測距偏差估計估計參數(shù)條件：估計參數(shù)條件：發(fā)射脈寬發(fā)射脈寬脈沖形狀脈沖形狀不同高程點不同高程點形狀形狀基本原理：基本原理：通過計算激光脈沖發(fā)射和返回的時間延遲來進行通過計算激光脈沖發(fā)射和返回的時間延遲來進行測距偏差估計測距偏差估計。測距和安裝參數(shù)估計測距和安裝參數(shù)估計激光光束指向估計(1) 激光激光坐標系各個軸等效于坐標系各個軸等效于安裝在繞安裝在繞光機平臺光機平臺X X軸旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn) 角度、繞繞光機角度、繞繞光機平臺平臺Y Y軸旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn) 角度的角度的后后三個軸。三個軸。 目標：建立激光測距誤差與目標：建立激光測距誤差與 之之間的關(guān)系；間的關(guān)系；xy、測距和安裝參數(shù)估計測距和安裝參數(shù)估計激光光束指向估計(2)主要計算步驟：主要計算步驟：（1 1）將測距矢量）將測距矢量R R從光機坐標系轉(zhuǎn)換到國際地球參考框架從光機坐標系轉(zhuǎn)換到國際地球參考框架 (ITRF)(ITRF)下下; ;（2 2）根據(jù)距離矢量建立觀測方程：）根據(jù)距離矢量建立觀測方程：（3 3）對）對R R求偏導(dǎo)，得到誤差方程求偏導(dǎo)，得到誤差方程_/_(,)RITRFITRF ICRFICRF OBROBxyTT