星載激光測高儀高精度波形數(shù)字化獲取技術(shù)研究

黃庚華 童鵬 丁宇星 藍(lán)曉萍 王海偉 舒嶸

星載激光測高儀高精度波形數(shù)字化獲取技術(shù)研究

黃庚華 童鵬 丁宇星 藍(lán)曉萍 王海偉 舒嶸

（中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所，中國科學(xué)院空間主動光電技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200083）

星載激光測高儀通過測量激光發(fā)射脈沖與激光接收回波脈沖之間的時間間隔，與光速常量進(jìn)行計算獲得與激光落點(diǎn)之間的相對距離。“高分七號”衛(wèi)星激光測高儀采用高速數(shù)字化回波獲取技術(shù)，可以在地表反射率變化、傾斜地形、林木及城市建筑復(fù)雜回波等場景下工作，為高程控制提供精確的距離信息。實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)標(biāo)定結(jié)果表明，在強(qiáng)度變化33dB條件下，回波測距均值最大變化為3.3cm，距離測量方差優(yōu)于3cm（1）。

激光測高儀 全波形 高精度“高分七號”衛(wèi)星

0 引言

目前機(jī)載激光雷達(dá)發(fā)展較為成熟，已經(jīng)有多種系統(tǒng)投入商業(yè)運(yùn)行。由于機(jī)載激光雷達(dá)受掃描視場角、飛行區(qū)域等因素的限制，很難實(shí)現(xiàn)對全球范圍數(shù)據(jù)的獲取。與機(jī)載激光雷達(dá)相比，星載激光測高儀采用衛(wèi)星平臺，運(yùn)行軌道高、觀測視野廣，可以觸及世界的各個角落，為境外地區(qū)三維控制點(diǎn)和數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）/數(shù)字地表模型（Digital Surface Model，DSM）的獲取提供了新的途徑，對于國防和科學(xué)研究都具有十分重大的意義。此外，星載激光測高儀還可以在植被垂直分布測量、海面高度測量、云層和氣溶膠垂直分布測量等方面發(fā)揮重大作用。

2003年1月13日，美國在Vandenberg 空軍基地成功發(fā)射地球激光測高試驗(yàn)衛(wèi)星ICESAT。該衛(wèi)星配備地球科學(xué)激光測高系統(tǒng)（Geoscience Laser Altimeter System，GLAS），沿軌道方向足印間隔170m，軌道方向跨度50km。全波形獲取技術(shù)速率達(dá)到1GHz。作為全球首顆對地觀測激光雷達(dá)衛(wèi)星，ICESAT取得了很多開創(chuàng)性的成果：采用單波束激光獲取了全球的高程分布曲線圖；提供了統(tǒng)一基準(zhǔn)高程數(shù)據(jù)集；具有目前世界最高的高程測量精度，經(jīng)過嚴(yán)密的地面控制點(diǎn)篩選，高程精度優(yōu)于0.1m、水平精度優(yōu)于10m。

“高分七號”（GF-7）衛(wèi)星激光測高儀是我國自行研制的首臺面向業(yè)務(wù)化應(yīng)用的星載測高系統(tǒng)，服務(wù)于1∶1萬比例尺高程控制的任務(wù)。2019年11月3日，GF-7衛(wèi)星在山西太原成功發(fā)射，標(biāo)志著我國已初步構(gòu)成高分辨率對地觀測系統(tǒng)并形成體系能力。激光測高儀隨后在軌開機(jī)，獲取了森林、戈壁、山脈等豐富的激光回波信號及落點(diǎn)區(qū)域的可見光影像。

1 全波形測量技術(shù)

1.1 全波形測量原理

星載平臺由于作用距離在500km量級，一般使用脈沖測距法獲得較高的信噪比。其過程為：激光器對目標(biāo)發(fā)射一窄脈寬激光脈沖，與此同時在光源處引出小部分光到探測器，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后，輸出的電信號作為起始脈沖信號，用來標(biāo)定激光發(fā)射的起始時刻1。激光脈沖到達(dá)目標(biāo)后，由于目標(biāo)的漫反射作用，部分光會反射回來進(jìn)入到接收光學(xué)系統(tǒng)，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后，輸出的電信號作為停止脈沖信號，標(biāo)志激光回來的時刻2，因此目標(biāo)距離可表述為：

式中=2.997 924 58×108m/s是真空中光的傳播速率；1、2為激光發(fā)射的起始和回波接收時刻；為目標(biāo)與測距系統(tǒng)的距離。

星載全波形激光高度計是近年來激光雷達(dá)技術(shù)發(fā)展史上的一項技術(shù)革新，它較之一般的星載激光高度計，具有能充分記錄返回的所有激光信號，可構(gòu)成完整的波形數(shù)據(jù)，用戶可以根據(jù)自己的需求對波形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理以獲得更多的有用信息等優(yōu)點(diǎn)。全波形激光雷達(dá)采用數(shù)字化方式，在記錄若干次離散回波信號的同時，將激光的發(fā)射信號和回波信號均以很小的采樣間隔進(jìn)行采集并記錄[1]。激光雷達(dá)記錄的回波波形是對激光光斑內(nèi)各點(diǎn)反射信號按時間先后順序記錄的，可以看作是回波強(qiáng)度信息在接收時間軸上的一個函數(shù)[2]。圖1為回波數(shù)字化及波形分析原理示意[3]。

全波形激光雷達(dá)采用的是連續(xù)的回波波形記錄方式，在具有傳統(tǒng)激光雷達(dá)功能的同時，還記錄了目標(biāo)物的相關(guān)特征信息（如長度、寬度、強(qiáng)度等），為目標(biāo)物空間結(jié)構(gòu)、發(fā)射脈沖與目標(biāo)物的作用機(jī)理以及后向散射特性的研究提供了進(jìn)一步的提升空間。用戶可以根據(jù)應(yīng)用需求，對波形數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇性的處理和分析，從而得到比傳統(tǒng)激光雷達(dá)更加精確的點(diǎn)云坐標(biāo)，以及更高品質(zhì)、更豐富的地物特征信息。

1.2 激光測高儀全波形單元組成

GF-7衛(wèi)星激光測高儀在垂軌方向±0.7°各安裝2臺激光器及相應(yīng)的足印相機(jī)，每臺激光器發(fā)射一波束，在激光發(fā)射瞬時獲取激光足印落點(diǎn)區(qū)域的地面可見光影像及激光光斑影像，如圖2所示。

激光測高儀的主要設(shè)計參數(shù)如表1所示。

圖1 回波數(shù)字化及波形分析原理示意

圖2 激光測高分系統(tǒng)測繪流程與方法示意

激光測高儀主體如圖3所示，由1臺主接收望遠(yuǎn)鏡、2臺二級擴(kuò)束鏡、4臺±0.7°方向含冷備份激光器、2套發(fā)射光路調(diào)整機(jī)構(gòu)、2臺±0.7°方向足印相機(jī)、1臺0°方向監(jiān)視相機(jī)、2套足印相機(jī)調(diào)焦機(jī)構(gòu)及4套主備光路切換機(jī)構(gòu)、激光驅(qū)動組件，全波形組件等。全波形單元安裝在激光測高分系統(tǒng)主體兩側(cè)，通過環(huán)路熱管將各組件約130W熱量帶走，并保持激光器處于（20±1）℃的理想工作溫度范圍。

表1 激光測高儀基本設(shè)計參數(shù)

Tab.1 Basic design parameters of the laser altimeter

圖3 激光測高儀主體

激光測高儀在激光發(fā)射光路、激光接收光路中設(shè)計了光纖取樣通道。其取樣光信號傳遞的整個流程如圖4所示：

1）激光器發(fā)射的激光被取光組件接收到，并耦合到光纖中。

2）激光經(jīng)過一系列的光纖網(wǎng)絡(luò)后，一部分進(jìn)入激光接收機(jī)的PIN光電二極管，用作激光發(fā)射的時標(biāo)時刻。另外一部分激光經(jīng)過1.5km長度的光纖延遲后，再進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡主鏡的激光接收光路，作為延遲起始信號。

3）數(shù)字化全波形電路對延遲起始信號、回波信號均進(jìn)行采樣，通過回波信號的波形與延遲起始波形的峰值時刻差，得到經(jīng)固定光纖延遲后的激光飛行時間，有效消除PIN主波電路與回波采樣電路的延遲差異，提高測距穩(wěn)定性。

數(shù)字化全波形輸出波形序列如圖5所示，數(shù)字化全波形電路在接收到采集啟動脈沖后，將會對激光脈沖信號進(jìn)行采集，包括主波信號以及個回波信號。

圖4 激光光纖取樣通道

圖5 回波通道采集示意圖

1.3 全波形自適應(yīng)采集方法

現(xiàn)有全波形測量方法由主波脈沖信號啟動，一直采集至回波信號到達(dá)。對于500km軌道高度，如波形數(shù)字化頻率為2Gsps（2G samples per second），量化位數(shù)10bit，單次激光發(fā)射周期內(nèi)所需要的數(shù)據(jù)存儲量為12.7Mbyte。而激光回波脈寬僅為5~40ns，單個脈沖的有效數(shù)據(jù)不到500采樣點(diǎn)。如使用固定距離門方式，僅采集離地面10km距離內(nèi)的回波信息，單次測量數(shù)據(jù)存儲量為260.4kbyte，有效數(shù)據(jù)占比仍然很低。

自適應(yīng)波形采集方法基于可變窗口及閾值實(shí)時判讀策略，流程如下：

1）一旦檢測到連續(xù)3個采樣點(diǎn)大于等于設(shè)定閾值，表明波形數(shù)據(jù)有效，需采集和存儲波形數(shù)據(jù)。

2）回波數(shù)據(jù)采集以固定的窗口點(diǎn)數(shù)為基本窗口，前1個窗口檢測到波形數(shù)據(jù)后，繼續(xù)對該窗口的最后32個采樣點(diǎn)、以及下一個窗口的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查。如第2個窗口也檢測到波形數(shù)據(jù)，將2個窗口的波形數(shù)據(jù)合并成1個窗口。以此類推，直至設(shè)定的窗口總量填滿。

3）如后續(xù)窗口無波形，則按照波前數(shù)據(jù)和采樣總點(diǎn)數(shù)對波形數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲。

4）各窗口內(nèi)對波形的波前數(shù)、采樣總點(diǎn)數(shù)可通過參數(shù)設(shè)置指令進(jìn)行設(shè)置。

采用該自適應(yīng)方法后，單通道數(shù)據(jù)存儲和傳輸量≤4 000點(diǎn)，較10km距離門，該采集方法數(shù)據(jù)存儲量僅為1.5%。

1.4 全波形分解方法

波形分解是目前激光雷達(dá)較為常用的波形數(shù)據(jù)處理方法[3]，由于大多數(shù)激光雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)射的脈沖波形都是高斯分布，所以大部分的研究都假設(shè)地物的回波波形也呈現(xiàn)高斯分布[4]，回波波形可以看作是若干個高斯函數(shù)的疊加，高斯模型能很好的模擬波形數(shù)據(jù)，用戶可以根據(jù)需求，對波形數(shù)據(jù)進(jìn)行分解以得到想要的地物特征（如高斯函數(shù)的振幅、波形寬度、峰值位置等），Wagner等[5]提出超過98%的RIEGL系統(tǒng)的觀測波形可以與高斯函數(shù)疊加后的波形相符，因此波形分解在波形數(shù)據(jù)處理中占據(jù)了重要地位。波形分解的一般步驟包括降噪和平滑、確定擬合曲線的數(shù)學(xué)解析函數(shù)、尋找波形參數(shù)的初始值、估計函數(shù)參數(shù)值并優(yōu)化和修正擬合結(jié)果。對于15m量級的激光發(fā)射足印，如內(nèi)部有多個不同高度的目標(biāo)，由于返回時間的差異將產(chǎn)生不同的回波信號，這些回波可以看作是一系列高斯函數(shù)的疊加[6]。

2 試驗(yàn)與測試結(jié)果

2.1 地面多回波試驗(yàn)結(jié)果

圖6所示為試驗(yàn)現(xiàn)場模擬的地面多目標(biāo)的正視圖和側(cè)視圖，在直徑為1.8m的激光足印內(nèi)放置了4個面積均為0.3m×0.3m的正方體地物目標(biāo)，各物塊距足印中心的位置相等，物塊間距均為1m，在激光光束方向相對于地表的高度分別為1m，2m，3m，4m，一個面積為2m×2m的靶板用于模擬地表，激光足印完全包含于靶板中。

圖6 試驗(yàn)現(xiàn)場目標(biāo)物的正視圖（左圖）和側(cè)視圖（右圖）

試驗(yàn)過程所采集的回波波形數(shù)據(jù)經(jīng)過波形分解算法處理，如圖7所示。圖中曲線所示為單個激光回波脈沖的全波形分解結(jié)果，黑色實(shí)線為波形數(shù)據(jù)處理前的重疊回波；紅色虛線、藍(lán)色虛線、綠色虛線、淺藍(lán)色虛線、粉色虛線均為經(jīng)過波形分解算法處理得到的子回波。根據(jù)這些子回波的參數(shù)值可以計算出相鄰兩個回波波形之間的相對距離值，如表2所示。

圖7 波形分解結(jié)果

表2 相鄰地物目標(biāo)的實(shí)際間距與分解后所得各子回波間距比較

Tab.2 Comparison of the actual distance between adjacent ground objects and the distance between each sub-echo after decomposition 單位：m

對于系統(tǒng)采集的回波信號，波形分解算法的分解精度可以控制在0.03m范圍內(nèi)。

2.2 全波形測距精度室內(nèi)測試結(jié)果

采用10km、800m固定長度光纖對激光測高儀兩個方向測距通道的精度進(jìn)行了室內(nèi)測試，波束1及波束2的測距平均值及測距方差如表3所示。

選取波束2進(jìn)行回波大動態(tài)范圍情況下精度測試，在固定光纖條件下調(diào)整回波信號幅度。回波信號最大峰值900mV，最小20mV。對應(yīng)的測距平均值如表4所示，波形反演距離的最大距離行走誤差為0.033m。

表3 測距通道精度測試

Tab.3 Comparison of measurement accuracy of each ranging channel 單位：m

表4 大動態(tài)范圍下測距行走誤差

Tab.4 Range-finding travel errors in large dynamic range

2.3 在軌數(shù)據(jù)采集結(jié)果

以GF-7衛(wèi)星第33軌為例，波束1、波束2回波峰值分布如圖8所示，均無飽和現(xiàn)象引起全波形算法精度下降的情況出現(xiàn)。無回波區(qū)域經(jīng)足印影像比對為云層覆蓋區(qū)域。排除云層區(qū)域后，回波探測概率接近100%。

圖8 單軌峰值

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定結(jié)果，以紅圈方式在激光測高儀足印相機(jī)影像上標(biāo)記激光實(shí)際落點(diǎn)，圖9為對林地、建筑、平原所采集到的回波波形。波形信息豐富，回波通道信噪比優(yōu)于20dB。

圖9 激光足印影像（上）與全波形（下）

3 結(jié)束語

GF-7衛(wèi)星激光測高儀采用了全新的全波形數(shù)字化回波采集技術(shù)，與激光足印相機(jī)影像共同實(shí)現(xiàn)激光落點(diǎn)位置、激光回波信息的采集，為1∶1萬比例尺測繪高程控制提供了有效的技術(shù)手段。至2020年3月，測量數(shù)據(jù)超過300軌，激光測點(diǎn)5萬余個。除完成在軌參數(shù)設(shè)置和狀態(tài)調(diào)整測試外，還配合用戶開展了南極中山站區(qū)域和南極大陸冰蓋的激光測繪工作，后續(xù)將開展星地聯(lián)合標(biāo)定工作，進(jìn)一步提高后期數(shù)據(jù)處理精度。在軌預(yù)計可獲取至少2億個激光高程數(shù)據(jù)，將為構(gòu)建我國境內(nèi)無控區(qū)域乃至全球高精度立體測繪信息網(wǎng)發(fā)揮關(guān)鍵作用。

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High Accuracy Full Waveform Digitizing Technology of Spaceborne Laser Altimeter

HUANG Genghua TONGPeng DING Yuxing LAN Xiaoping WANG Haiwei SHU Rong

（Laboratory of Space Active Electro-optical Technology, Shanghai Institute of Technical Physics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200083, China）

Using the time interval between the laser emitted pulse and the echo pulse measured with the spaceborne laser altimeter, the relative distance between the laser footprint and the satellite can be calculated with light velocity. The GF-7 satellite laser altimeter uses high-speed digital echo acquisition technology, which can work in scenarios such as surface changing reflectance, inclined terrain, complex echoes of forest and urban buildings, providing accurate distance information for elevation control. The laboratory calibration results show that the variance of the measured distance is better than 3cm (1), and the maximum change in the average value is 3.3cm in the intensity change of 33dB.

laser altimeter; full waveform; high accuracy; GF-7 satellite

TN249

A

1009-8518(2020)02-0039-08

10.3969/j.issn.1009-8518.2020.02.005

黃庚華，男，1980年生，2007年獲中國科學(xué)院博士學(xué)位，研究員。研究方向?yàn)榭臻g主動光電技術(shù)。E-mail：genghuah@mail.sitp.ac.cn。

舒嶸，男，1971年生，研究員。研究方向?yàn)榭臻g光電及量子信息處理。E-mail：shurong@mail.sitp.ac.cn。

2020-03-15

國家重大科技專項工程

黃庚華, 童鵬, 丁宇星, 等. 星載激光測高儀高精度波形數(shù)字化獲取技術(shù)研究[J]. 航天返回與遙感, 2020, 41(2): 39-46.

HUANG Genghua, TONG Peng, DING Yuxing, et al. High Accuracy Full Waveform Digitizing Technology of Spaceborne Laser Altimeter[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2020, 41(2): 39-46. (in Chinese)

（編輯：陳艷霞）