星載激光測(cè)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(jì)對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)星載激光高度計(jì)對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)處理與系統(tǒng)檢校處理與系統(tǒng)檢校國(guó)家測(cè)繪地理信息局技術(shù)交流報(bào)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(cè)距激光測(cè)距n激光光束精確定向激光光束精確定向(PAD)(PAD)n激光測(cè)高激光測(cè)高n誤差誤差n測(cè)距糾正測(cè)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(yàn)證數(shù)據(jù)質(zhì)量驗(yàn)證激光雷達(dá)相關(guān)概念激光雷達(dá)相關(guān)概念n定義：將激光發(fā)射到目標(biāo)表面，通過(guò)分析回波信號(hào)進(jìn)定義：將激光發(fā)射到目標(biāo)表面，通過(guò)分析回波信號(hào)進(jìn)行測(cè)距的一

2、種遙感技術(shù)。行測(cè)距的一種遙感技術(shù)。n按照激光測(cè)距應(yīng)用范圍或者平臺(tái)，可以分為按照激光測(cè)距應(yīng)用范圍或者平臺(tái)，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(cè)量；三維測(cè)量；n機(jī)載激光雷達(dá)，可用于地面機(jī)載激光雷達(dá)，可用于地面DEMDEM、森林覆蓋測(cè)量；、森林覆蓋測(cè)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(jì)星載激光高度計(jì)(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(cè)量，林業(yè)測(cè)量。，可用于行星地形、地球南北極測(cè)量，林業(yè)測(cè)量。激光雷達(dá)基本概念激光雷達(dá)基本概念激光測(cè)距n脈沖測(cè)距（脈沖測(cè)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(shí)

4、間間隔進(jìn)行測(cè)距。計(jì)算公式：往返之間的時(shí)間間隔進(jìn)行測(cè)距。計(jì)算公式： n相位法測(cè)距相位法測(cè)距(Phase Ranging)(Phase Ranging)：通過(guò)測(cè)量發(fā)射信號(hào)：通過(guò)測(cè)量發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)之間的相位差進(jìn)行測(cè)距。計(jì)算公式：和接收信號(hào)之間的相位差進(jìn)行測(cè)距。計(jì)算公式：T=2c=4激光測(cè)高坐標(biāo)系統(tǒng)激光測(cè)高坐標(biāo)系統(tǒng)n飛行器體固坐標(biāo)系飛行器體固坐標(biāo)系: :有時(shí)候代指激光儀器的光機(jī)坐有時(shí)候代指激光儀器的光機(jī)坐標(biāo)系統(tǒng)，標(biāo)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(biāo)系：天球坐標(biāo)系： ICRF IC

5、RF適合天體目標(biāo)描述的慣性參考適合天體目標(biāo)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(biāo)系坐標(biāo)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(biāo)系：陀螺儀坐標(biāo)系：Z Z軸定義為瞄準(zhǔn)方向，軸定義為瞄準(zhǔn)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(biāo)系：地球參考坐標(biāo)系：ITRFITRF是地固坐標(biāo)框架，原點(diǎn)位是地固坐標(biāo)框架，原點(diǎn)位于地球質(zhì)心。激光點(diǎn)在

6、地球表面位置最終會(huì)轉(zhuǎn)換到于地球質(zhì)心。激光點(diǎn)在地球表面位置最終會(huì)轉(zhuǎn)換到地面參考框架。地面參考框架。（一）激光測(cè)高衛(wèi)星激光測(cè)高示意圖衛(wèi)星激光測(cè)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(jī)確敏、陀螺儀、激光參考相機(jī)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(diǎn)的幾何中心位置矢量，由點(diǎn)的幾何中心位置矢量，由GPSGPS、SLRSLR測(cè)定；測(cè)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(biāo)n激光光程測(cè)量起始參考點(diǎn)相對(duì)飛行器質(zhì)心位置有固定激光光程測(cè)量起始參考點(diǎn)相對(duì)飛行器質(zhì)心位置有固定偏移量偏移量r；nn nl

7、aserlaser在國(guó)際天球坐標(biāo)系在國(guó)際天球坐標(biāo)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(biāo)系中定義；器體固坐標(biāo)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(biāo)轉(zhuǎn)換到大中的直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)地坐標(biāo),(,)( , , )spo

8、tspotspotf exyzh _ITRFICRFspotICRFITRFspotTnn_()ICRFspotlaserSCICRFRTrnnn（二）激光測(cè)距GLASGLAS激光測(cè)高計(jì)算過(guò)程激光測(cè)高計(jì)算過(guò)程激光時(shí)間確定n根據(jù)波形確定激光脈沖的時(shí)間差根據(jù)波形確定激光脈沖的時(shí)間差: :n激光到觀測(cè)表面的距離激光到觀測(cè)表面的距離 可表示為可表示為: :n激光脈沖到達(dá)觀測(cè)表面的時(shí)間為激光脈沖到達(dá)觀測(cè)表面的時(shí)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(hào)的正則化，即將正則化：激光波形分析第一步是信號(hào)的正則化，即將單個(gè)返回電壓除

9、以總的接收能量，這樣波形積分之和單個(gè)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(jìn)行比較。不同脈沖形狀進(jìn)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(gè)脈波形分解：波形處理的目的是要將波形分解成多個(gè)脈沖的集合，通過(guò)記錄各個(gè)脈沖信號(hào)的特征來(lái)描述不同沖的集合，通過(guò)記錄各個(gè)脈沖信號(hào)的特征來(lái)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(duì)激光測(cè)距產(chǎn)生影響n當(dāng)激光脈沖穿過(guò)大氣層時(shí)，激光光束發(fā)生的折射造成當(dāng)激光脈沖穿過(guò)大氣層時(shí)，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(duì)星載激光測(cè)高儀系統(tǒng)激光脈沖傳輸延遲，因此必須對(duì)星載激光測(cè)高儀系統(tǒng)原始的距離測(cè)量值進(jìn)行大氣延遲的改正。原始的距離測(cè)量值進(jìn)行大氣延遲的改正。nLz為為天頂延遲項(xiàng)

11、，可以簡(jiǎn)化為由氣壓造成的干項(xiàng)延為為天頂延遲項(xiàng)，可以簡(jiǎn)化為由氣壓造成的干項(xiàng)延遲遲RH和由可降水量造成的濕項(xiàng)延遲和由可降水量造成的濕項(xiàng)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(yáng)、月亮和地球之間的相互引潮汐改正：由于太陽(yáng)、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(cè)距產(chǎn)生偏差。從而導(dǎo)致激光測(cè)距產(chǎn)生偏差。n潮汐改正與測(cè)量時(shí)間密切相關(guān)。潮汐改正與測(cè)量時(shí)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(cè)距n在經(jīng)過(guò)大氣折射改正和潮汐改正后，激光測(cè)距可以表在經(jīng)過(guò)大氣折射改正和潮汐改正后，激光測(cè)距可以表示為示為n ：儀器本身測(cè)距誤差，可以在實(shí)驗(yàn)中確定。：儀器本身測(cè)距誤差，可以在實(shí)驗(yàn)中確定。012RRRRRR其它誤差n除了大氣和潮汐對(duì)激光測(cè)距產(chǎn)生較大偏差外，其它可除了大氣和潮汐對(duì)激光測(cè)距產(chǎn)生較大偏差外，其它可能影響測(cè)距精度的誤差包括：能影響測(cè)距精度的誤差包括：n時(shí)鐘同步誤差時(shí)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(gè)厘米以內(nèi)，可以作為殘差保留于上述誤差大小在幾個(gè)厘米以內(nèi)，可以作為

13、殘差保留于激光測(cè)距中。激光測(cè)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(tái)震動(dòng)平臺(tái)震動(dòng)n激光指向偏移激光指向偏移光束指向誤差對(duì)激光測(cè)距產(chǎn)生影響tansS 激光光束指向不但對(duì)光斑的位置有直激光光束指向不但對(duì)光斑的位置有直接影響，還會(huì)與地形坡度一起影響測(cè)接影響，還會(huì)與地形坡度一起影響測(cè)距精度。導(dǎo)致激光測(cè)距偏差的簡(jiǎn)單估距精度。導(dǎo)致激光測(cè)距偏差的簡(jiǎn)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(shí)產(chǎn)生的測(cè)距偏差時(shí)產(chǎn)生的測(cè)距偏差達(dá)到達(dá)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(guò)激光輪廓陣列儀（激光光束的拍攝方向通過(guò)激光輪廓陣列儀（Laser Profiling Laser Profiling ArrayArray）以）以40Hz40Hz的頻率來(lái)記錄。的頻率來(lái)記錄。nLPALPA觀測(cè)到的觀測(cè)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(guò)合適的坐標(biāo)變換就可以得到在中定位。最后，通過(guò)合適的坐標(biāo)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(yuǎn)鏡將瞄準(zhǔn)參考源的一部分發(fā)射激光脈沖和利用激光參考望遠(yuǎn)鏡將瞄準(zhǔn)參考源的一部分發(fā)射激光脈沖和光束進(jìn)行提取和重定向。光束進(jìn)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(cè)激光。的頻率觀測(cè)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(jī)平臺(tái)光機(jī)平臺(tái) 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(jī)激光參考相機(jī) LRCLRC：激光參照相機(jī)：激光參照相機(jī) 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(qiáng)度確定激光在激光輪廓根據(jù)激光強(qiáng)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(jì)算：平均位置可以按照以下方式計(jì)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(jì)算面方法計(jì)算： 假定假定K K是兩

17、個(gè)圖像的大小差異比是兩個(gè)圖像的大小差異比例，每個(gè)投影到例，每個(gè)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(jī)圖像之間的偏差，光參考相機(jī)圖像之間的偏差，理想狀況下，這兩個(gè)圖幀共享理想狀況下，這兩個(gè)圖幀共享共同的原點(diǎn)。在實(shí)際情形里，共同的原點(diǎn)。在實(shí)際情形里，這兩個(gè)原點(diǎn)可能會(huì)有偏差。該這

18、兩個(gè)原點(diǎn)可能會(huì)有偏差。該偏差以偏差以LRSLRS在在SCFSCF里原點(diǎn)坐標(biāo)表里原點(diǎn)坐標(biāo)表示。示。 ：LRSLRS視場(chǎng)相對(duì)于視場(chǎng)相對(duì)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(gè)視場(chǎng)的：由焦距變化導(dǎo)致兩個(gè)視場(chǎng)的比例大小比例大小F F可能變化。可能變化。 通過(guò)恒星在激光參考相機(jī)通過(guò)恒星在激光參考相機(jī)(LRC)(LRC)和星敏中的坐標(biāo)，和星敏中的坐標(biāo)，確定確定LRCLRC與星敏的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系與星敏的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系_cossin_sincosstarSToffsetstarLRSstarSToffsetstarLRSxxxFyyy( , ,)offsetoffsetFxy 利用利用

19、確定激光點(diǎn)在星敏視場(chǎng)的位置確定激光點(diǎn)在星敏視場(chǎng)的位置( )( )( , ,)offsetoffsetFxy_,laserSTlaserSTxycossinsincoslaserSToffsetlaserLRSlaserSToffsetlaserLRSxxxFyyy激光光束矢量確定n激光點(diǎn)投影到星敏坐標(biāo)系后，利用星敏激光點(diǎn)投影到星敏坐標(biāo)系后，利用星敏CCDCCD相機(jī)焦距相機(jī)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(cè)得的姿態(tài)矩陣、光機(jī)平臺(tái)利用星敏測(cè)得的姿態(tài)矩陣、光機(jī)平臺(tái)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(duì)激光指向影響光行差對(duì)激光指向影響/sin5.2s cvvcc光行差：在激光傳輸過(guò)程中相對(duì)地光行差：在激光傳輸過(guò)程中相對(duì)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(yàn)證紅外相機(jī)檢校n在檢校場(chǎng)布設(shè)一系列規(guī)則紅外發(fā)射在檢校場(chǎng)布設(shè)一系列規(guī)則紅外發(fā)射器器n在夜間衛(wèi)星過(guò)頂時(shí)同步飛行觀測(cè)檢在夜間衛(wèi)星過(guò)頂時(shí)同步飛行觀測(cè)檢校場(chǎng)校場(chǎng)n根據(jù)激光光斑和紅外發(fā)射器的相對(duì)根據(jù)激光光斑和紅外發(fā)射器的相對(duì)位置關(guān)系確定激光光斑的真實(shí)坐標(biāo)位置關(guān)系確定激光光斑的真實(shí)坐標(biāo)n將真實(shí)坐標(biāo)值與

21、定位模型計(jì)算得到將真實(shí)坐標(biāo)值與定位模型計(jì)算得到的坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比檢核。的坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比檢核。通過(guò)紅外發(fā)射器檢校n在檢校場(chǎng)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(chǎng)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(guò)頂時(shí)的激光光斑信號(hào)捕獲衛(wèi)星過(guò)頂時(shí)的激光光斑信號(hào)n不受時(shí)間限制，黑天白夜都可以不受時(shí)間限制，黑天白夜都可以n被觸發(fā)的探測(cè)器的已知位置可以獲取激光光斑的位置被觸發(fā)的探測(cè)器的已知位置可以獲取激光光斑的位置測(cè)距和安裝參數(shù)估計(jì)測(cè)距和安裝參數(shù)估計(jì)驗(yàn)證地形測(cè)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(gè)不同觀測(cè)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(cè)距和安裝參數(shù)估計(jì)測(cè)距和安裝參數(shù)估計(jì)激光測(cè)距偏差估計(jì)估計(jì)參數(shù)條件：估計(jì)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(diǎn)不同高程點(diǎn)形狀形狀基本原理：基本原理：通過(guò)計(jì)算激光脈沖發(fā)射和返回的時(shí)間延遲來(lái)進(jìn)行通過(guò)計(jì)算激光脈沖發(fā)射和返回的時(shí)間延遲來(lái)進(jìn)行測(cè)距偏差估計(jì)測(cè)距偏差估計(jì)。測(cè)距和安裝參數(shù)估計(jì)測(cè)距和安裝參數(shù)估計(jì)激光光束指向估計(jì)(1) 激光激光坐標(biāo)系各個(gè)軸等效于坐標(biāo)系各個(gè)軸等效于安裝在繞安裝在繞光機(jī)平臺(tái)光機(jī)平臺(tái)X X軸旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn) 角度、繞繞光機(jī)角度、繞繞光機(jī)平臺(tái)平臺(tái)Y Y軸旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn) 角度的角度的后后三個(gè)軸。三個(gè)軸。 目標(biāo)：建立激光測(cè)距誤差與目標(biāo)：建立激光測(cè)距誤差與 之之間的關(guān)系；間的關(guān)系；xy、測(cè)距和安裝參數(shù)估計(jì)測(cè)距和安裝參數(shù)估計(jì)激光光束指向估計(jì)(2)主要計(jì)算步驟：主要計(jì)算步驟：（1 1）將測(cè)距矢量）將測(cè)距矢量R R從光機(jī)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到國(guó)際地球參考框架從光機(jī)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到國(guó)際地球參考框架 (ITRF)(ITRF)下下; ;（2 2）根據(jù)距離矢量建立觀測(cè)方程：）根據(jù)距離矢量建立觀測(cè)方程：（3 3）對(duì)）對(duì)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