星載激光測高儀高精度波形數字化獲取技術研究

黃庚華 童鵬 丁宇星 藍曉萍 王海偉 舒嶸

星載激光測高儀高精度波形數字化獲取技術研究

黃庚華 童鵬 丁宇星 藍曉萍 王海偉 舒嶸

（中國科學院上海技術物理研究所，中國科學院空間主動光電技術重點實驗室，上海 200083）

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

激光測高儀 全波形 高精度“高分七號”衛星

0 引言

目前機載激光雷達發展較為成熟，已經有多種系統投入商業運行。由于機載激光雷達受掃描視場角、飛行區域等因素的限制，很難實現對全球范圍數據的獲取。與機載激光雷達相比，星載激光測高儀采用衛星平臺，運行軌道高、觀測視野廣，可以觸及世界的各個角落，為境外地區三維控制點和數字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）/數字地表模型（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揮重大作用。

2003年1月13日，美國在Vandenberg 空軍基地成功發射地球激光測高試驗衛星ICESAT。該衛星配備地球科學激光測高系統（Geoscience Laser Altimeter System，GLAS），沿軌道方向足印間隔170m，軌道方向跨度50km。全波形獲取技術速率達到1GHz。作為全球首顆對地觀測激光雷達衛星，ICESAT取得了很多開創性的成果：采用單波束激光獲取了全球的高程分布曲線圖；提供了統一基準高程數據集；具有目前世界最高的高程測量精度，經過嚴密的地面控制點篩選，高程精度優于0.1m、水平精度優于10m。

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

1 全波形測量技術

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：激光器對目標發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，經過光電轉換后，輸出的電信號作為起始脈沖信號，用來標定激光發射的起始時刻1。激光脈沖到達目標后，由于目標的漫反射作用，部分光會反射回來進入到接收光學系統，經過光電轉換后，輸出的電信號作為停止脈沖信號，標志激光回來的時刻2，因此目標距離可表述為：

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

星載全波形激光高度計是近年來激光雷達技術發展史上的一項技術革新，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，可構成完整的波形數據，用戶可以根據自己的需求對波形數據進行分析和處理以獲得更多的有用信息等優點。全波形激光雷達采用數字化方式，在記錄若干次離散回波信號的同時，將激光的發射信號和回波信號均以很小的采樣間隔進行采集并記錄[1]。激光雷達記錄的回波波形是對激光光斑內各點反射信號按時間先后順序記錄的，可以看作是回波強度信息在接收時間軸上的一個函數[2]。圖1為回波數字化及波形分析原理示意[3]。

全波形激光雷達采用的是連續的回波波形記錄方式，在具有傳統激光雷達功能的同時，還記錄了目標物的相關特征信息（如長度、寬度、強度等），為目標物空間結構、發射脈沖與目標物的作用機理以及后向散射特性的研究提供了進一步的提升空間。用戶可以根據應用需求，對波形數據進行選擇性的處理和分析，從而得到比傳統激光雷達更加精確的點云坐標，以及更高品質、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衛星激光測高儀在垂軌方向±0.7°各安裝2臺激光器及相應的足印相機，每臺激光器發射一波束，在激光發射瞬時獲取激光足印落點區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計參數如表1所示。

圖1 回波數字化及波形分析原理示意

圖2 激光測高分系統測繪流程與方法示意

激光測高儀主體如圖3所示，由1臺主接收望遠鏡、2臺二級擴束鏡、4臺±0.7°方向含冷備份激光器、2套發射光路調整機構、2臺±0.7°方向足印相機、1臺0°方向監視相機、2套足印相機調焦機構及4套主備光路切換機構、激光驅動組件，全波形組件等。全波形單元安裝在激光測高分系統主體兩側，通過環路熱管將各組件約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 激光測高儀基本設計參數

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射光路、激光接收光路中設計了光纖取樣通道。其取樣光信號傳遞的整個流程如圖4所示：

1）激光器發射的激光被取光組件接收到，并耦合到光纖中。

2）激光經過一系列的光纖網絡后，一部分進入激光接收機的PIN光電二極管，用作激光發射的時標時刻。另外一部分激光經過1.5km長度的光纖延遲后，再進入望遠鏡主鏡的激光接收光路，作為延遲起始信號。

3）數字化全波形電路對延遲起始信號、回波信號均進行采樣，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，提高測距穩定性。

數字化全波形輸出波形序列如圖5所示，數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 全波形自適應采集方法

現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。對于500km軌道高度，如波形數字化頻率為2Gsps（2G samples per second），量化位數10bit，單次激光發射周期內所需要的數據存儲量為12.7Mbyte。而激光回波脈寬僅為5~40ns，單個脈沖的有效數據不到500采樣點。如使用固定距離門方式，僅采集離地面10km距離內的回波信息，單次測量數據存儲量為260.4kbyte，有效數據占比仍然很低。

自適應波形采集方法基于可變窗口及閾值實時判讀策略，流程如下：

1）一旦檢測到連續3個采樣點大于等于設定閾值，表明波形數據有效，需采集和存儲波形數據。

2）回波數據采集以固定的窗口點數為基本窗口，前1個窗口檢測到波形數據后，繼續對該窗口的最后32個采樣點、以及下一個窗口的數據進行檢查。如第2個窗口也檢測到波形數據，將2個窗口的波形數據合并成1個窗口。以此類推，直至設定的窗口總量填滿。

3）如后續窗口無波形，則按照波前數據和采樣總點數對波形數據進行采集、存儲。

4）各窗口內對波形的波前數、采樣總點數可通過參數設置指令進行設置。

采用該自適應方法后，單通道數據存儲和傳輸量≤4 000點，較10km距離門，該采集方法數據存儲量僅為1.5%。

1.4 全波形分解方法

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

2 試驗與測試結果

2.1 地面多回波試驗結果

圖6所示為試驗現場模擬的地面多目標的正視圖和側視圖，在直徑為1.8m的激光足印內放置了4個面積均為0.3m×0.3m的正方體地物目標，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 試驗現場目標物的正視圖（左圖）和側視圖（右圖）

試驗過程所采集的回波波形數據經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果，黑色實線為波形數據處理前的重疊回波；紅色虛線、藍色虛線、綠色虛線、淺藍色虛線、粉色虛線均為經過波形分解算法處理得到的子回波。根據這些子回波的參數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 波形分解結果

表2 相鄰地物目標的實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。

2.2 全波形測距精度室內測試結果

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行了室內測試，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進行回波大動態范圍情況下精度測試，在固定光纖條件下調整回波信號幅度。回波信號最大峰值900mV，最小20mV。對應的測距平均值如表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 大動態范圍下測距行走誤差

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

2.3 在軌數據采集結果

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

圖8 單軌峰值

根據實驗室標定結果，以紅圈方式在激光測高儀足印相機影像上標記激光實際落點，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，回波通道信噪比優于20dB。

圖9 激光足印影像（上）與全波形（下）

3 結束語

GF-7衛星激光測高儀采用了全新的全波形數字化回波采集技術，與激光足印相機影像共同實現激光落點位置、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手段。至2020年3月，測量數據超過300軌，激光測點5萬余個。除完成在軌參數設置和狀態調整測試外，還配合用戶開展了南極中山站區域和南極大陸冰蓋的激光測繪工作，后續將開展星地聯合標定工作，進一步提高后期數據處理精度。在軌預計可獲取至少2億個激光高程數據，將為構建我國境內無控區域乃至全球高精度立體測繪信息網發揮關鍵作用。

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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年獲中國科學院博士學位，研究員。研究方向為空間主動光電技術。E-mail：genghuah@mail.sitp.ac.cn。

舒嶸，男，1971年生，研究員。研究方向為空間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字化獲取技術研究[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）