星载激光雷达视轴监测系统设计

提出了一种针对星载激光雷达在轨高精度光轴监测与标定需求的多光轴监测方法,该方法基于主动激光光源。通过使用785 nm的激光,分束后分别照射到星敏感器的基准棱镜和接收望远镜的取光棱镜,反射信号被聚焦至监视相机的焦平面,实现了对接收光轴及星敏光轴的精确监测。此外,监视相机还同步采集发射激光的部分能量,用于测量监测发射光轴。文中详细描述了光学系统的设计流程及关键组件的优化方案,并通过地面真空环境试验及在轨监测数据进行了验证。设计结果表明,各监视通道的成像质量达到了衍射极限,收发光轴的设计精度分别为0.09μrad和2.28μrad,关键组件取光棱镜的温控精度达到了±0.2℃。地面的真空热光试验结果进一步验证了该方案的高精度光轴监视能力,收发光轴的监测精度均优于3μrad。最后通过分析激光雷达入轨后的测量数据,确认了视轴监测系统的工作稳定性,成功实现了在轨的高精度光轴监视。该研究成果为星载激光雷达提供了一种有效的在轨高精度光轴监测与标定解决方案。

基于CALIPSO和转动拉曼-米散射激光雷达研究北京地区大气气溶胶特性

为提高大气气溶胶参数反演结果的准确性,结合实验室研制的转动拉曼-米散射激光雷达和NASA的CALIPSO,仅用2个激光雷达的弹性后向散射信号,无需对激光雷达比进行假设,反演出了2012年春季北京上空晴天、雨后、阴霾天气的气溶胶光学参数的垂直分布.结果表明:此方法可有效地获取气溶胶消光系数和后向散射系数的垂直分布;气溶胶的消光系数值在阴霾天气最高,晴天次之,雨后最低.

星载激光雷达望远镜主次镜支撑结构设计与分析

针对星载激光雷达望远镜的设计要求,基于超轻量化主镜组件模型结构,从材料选择、结构形式及轻量化等方面对主次镜间支撑结构及组件进行详细设计,获得次镜组件重仅为0.530 kg;主、次镜间支撑结构重仅为1.000 kg,最终获得望远镜整机结构,总重仅为10.600 kg.通过有限元建模、分析的方法,重点分析了主次镜的面型精度、相对位置关系受重力变形的影响及整机模态,保证了主次镜支撑面型RMS优于λ/40(λ@632.8 nm),整机系统具有较好的刚度和环境适应性.分析结果表明:望远镜主次镜支撑结构及组件满足设计要求,可为同类望远镜结构设计提供一定指导.

星载云-气溶胶激光雷达系统的应用

简要介绍了星载激光雷达的探测优势和发展过程,对国外空间激光雷达研制计划LITE及主要星载激光雷达系统(GLAS,CALIPSO等)的技术特点和探测结果等进行了详细的叙述,总结了星载激光雷达在各领域中的应用情况,并对其今后的发展做出了展望。

浅谈车载LiDAR技术在城市道路测量中的应用

为了加快现代“智慧城市”的信息化建设和发展,三维激光扫描技术的应用已成为城市空间地理信息建设必不可少的技术手段。车载LiDAR测量系统是以车辆作为载体利用激光扫描、GNSS定位、CCD相机以及惯导装置等技术的相互融合,能够快速采集被测地物表面的三维坐标数据信息,让城市空间信息和物体三维建模技术得到了快速的发展,为城市三维空间数据库的建设提供了高效的技术手段。与传统的测量模式相比,具有作业灵活、范围广、高精度、高分辨率、高效率的优点,已被越来越多的测绘科研机构和测绘生产部门所认可和应用。

ICESat-2星载光子计数激光雷达数据处理与应用研究进展

ICESat-2/ATLAS系统首次采用微脉冲多波束光子计数激光雷达技术,其在探测方式、数据处理方法、应用的广度和深度等方面与ICESat-1/GLAS存在明显差异。首先介绍了ICESat-2及ATLAS的性能指标、数据特点和产品信息,详细分析了光子点云去噪和分类两个关键技术,以及各算法的适应性及难点,总结了ICESat-2数据在冰盖和海冰高程测量及其变化监测、地面高程提取、森林高度提取和生物量估算、湖泊水位和蓄水量变化监测等方面的应用,最后展望了光子数据处理和应用的发展趋势和前景。

星载激光雷达光路自动调整技术研究进展

大气探测激光雷达系统接收与发射光轴的空间平行与否直接影响探测数据的有效性,高精度光路自动调整系统是星载激光雷达实现可靠探测的保障条件之一.基于国际上现有的星载大气探测激光雷达,总结光路调整系统的研究现状、基本原理和常用方法,并从硬件结构和软件算法两方面对常用的回波信号强度法和光斑调整法进行了对比.回波信号强度法结构简单,但调整过程受大气和地表环境影响明显;光斑调整法可实现1μrad的高精度调整,但光路复杂、成本相对更高.总体而言,光路自动调整技术涉及多个学科和领域,结合各个学科的优势,设计出结构简单、高精度低成本的光路调整系统,是未来的发展方向.

星载光子计数激光雷达数据森林高度及林下地形反演研究进展

森林高度是衡量森林生物量、森林生态系统碳汇的重要参数,位于森林下的地形(林下地形)是支撑国家重大基础设施建设、灾害监测的战略信息资源。新一代星载激光雷达ICESat-2/ATLAS采用一种多波束微脉冲的光子计数技术,以10 kHz的重复频率对地发射激光脉冲,从而导致出现间隔为0.7 m、光斑半径为8.5 m的重叠光斑。相比于ICESat-1/GLAS,ICESat-2/ATLAS具有更高的空间采样率以及对坡度的不敏感性,是目前反演森林高度参数和林下地形的重要手段。本文介绍了ICESat-2/ATLAS的主要参数指标,总结了各类误差因素对ATL08官方产品的影响,分析了各种森林区光子点云滤波方法、ICESat-2林下地形反演方法及森林高度参数反演方法的适用性及面临的主要问题,展望了ICESat-2/ATLAS光子点云滤波、林下地形及森林高度参数反演的发展趋势及应用前景。

基于星载双波长偏振探测的大气探测激光雷达系统设计

为获取全球大气气溶胶的垂直分布,解决现有大气环境监测受地域限制的难题,提出了星载大气探测激光雷达系统。该系统工作于卫星平台,采用双波长532 nm、1064 nm激光作为探测光源,结合偏振探测方式,获取大气气溶胶、云的垂直分布、粒子形状、粒子大小信息,实现了全球范围内大气的全天时、立体观测,弥补大气环境监测体系的不足。星载大气探测激光雷达系统提出自洽谐振腔的激光器发射技术,解决了星载大能量双波长激光器长期高效工作难题,实现双波长激光输出能量110 mJ;提出了空间平腔标准具滤波技术,解决了空间环境大气回波高效滤波和在轨滤波带宽与激光带宽匹配难题,实现滤波带宽40 pm;提出了空间高精度激光指向调整技术,实现指向调整精度优于5μrad。通过研制星载大气探测激光雷达系统对大气气溶胶进行探测,获取15 km高度以内的大气垂直廓线,有效识别大气层中底层气溶胶、中层的云以及高空的大气分子的形态和演变过程。

星载激光遥感林业应用发展研究

林业测量调查是星载激光遥感的重要应用方向。迄今为止,国外发展了多台套的星载激光载荷已经用于林业遥感。国内资源三号(02)星搭载的激光测距仪实验载荷实现了我国星载激光对地观测的突破,即将发射的陆地生态系统碳监测卫星多波束激光雷达也将在林业遥感中取得重要应用。ICESAT-1/GLAS系统全波形数据成功用于全球林地垂直结构调查,ICESAT-2/ATLAS系统以光子探测的方式获取林地点云调查数据,星载激光遥感林业应用从实验、演示验证、进入实用阶段。这期间多型星载激光雷达经过了技术体制的选择、参数的优化,器件技术和处理技术的突破。本文综述了主要在轨服务林业遥感的星载激光雷达的配置和数据应用,研究了星载激光雷达林业遥感的探测机制、技术体制、应用现状、适用范围等,分析总结了各类星载激光雷达林业应用技术特点、发展演化趋势,提出星载激光雷达载荷研制应根据任务应用需求、科学和工程目标,充分发挥激光技术长项,与其他载荷手段优化配置,扬长补短,展望了星载激光雷达林业遥感技术和应用的发展趋势、研究热点及其应用拓展。

国外星载激光雷达研究进展

星载激光雷达可以获取全球的高精度地球探测数据,在对地观测中起到越来越重要的作用。介绍了美国和欧洲星载激光雷达的发展历程。从探测原理、探测系统和探测结果等方面分别对地球激光测高系统星载激光雷达、正交偏振云-气溶胶星载激光雷达以及大气激光多普勒测风星载激光雷达进行了详细介绍。并对3台星载激光雷达的接收望远镜的结构和材料进行了分析。可以为我国星载激光雷达的研究提供参考。

美国云和气溶胶星载激光雷达综述

气溶胶的探测,尤其是全球范围内气溶胶的探测,不仅对预测未来气候的变化有重要帮助,而且可以对遥感图像的大气校正提供重要大气参数,而星载激光雷达则是实现全球气溶胶探测的最有效的手段。美国是星载激光雷达的先行者,在气溶胶探测方面,它先后实施了LITE和CALIPSO两项计划。LITE试验的成功,验证了天基激光雷达的可行性,而CALIPSO上激光雷达CALIOP的在轨正常运行,则实现了星载激光雷达的应用。文章着重介绍和评述了美国云和气溶胶星载激光雷达的发展、收发装置以及观测结果等。

多普勒测风激光雷达从车载到星载

阐述了星载对地测风激光雷达系统对于全球大气气象研究的意义,总结了国际星载测风雷达系统的研究思路。介绍了中国海洋大学在国际上地基、机载、星载这一激光雷达研究思路下,基于碘分子吸收滤波器设计的车载、机载激光雷达系统和相关系统的验证实验,在地基测风系统的基础上建立了532 nm波段基于碘分子吸收滤波器或法布里-珀罗滤波器的Labview星载模拟软件。使用车载系统的实际测量数据对使用碘分子吸收滤波器的模拟测风激光雷达软件在0-3 km和3-20 km的测风精度进行模拟验证,结果表明回波累积脉冲次数在1300次的时候,可以达到星载测风雷达的测量要求。

星载CO_2探测频率步进扫描IPDA激光雷达回波信号反演及误差分析

设计了星载CO_2探测频率步进扫描积分路径差分吸收(IPDA)激光雷达,弥补了欧洲航天局ASCOPE项目单波长CO_2探测IPDA激光雷达对波长依赖性较强等不足.仿真计算了一个扫描周期内的激光雷达回波信号和系统的相对随机误差、大气压强不确定性误差以及频率不稳定性误差.当频率步进扫描到on-line波长为6 361.235 0cm-1时,在海面反射率为0.035sr-1、大气压强不确定性为0.001以及激光频率不稳定性为0.3MHz条件下,系统综合相对误差为0.084 2%.结果表明,采用频率步进扫描方法结合IPDA激光雷达技术探测大气CO_2浓度不仅可以观察到相对误差随on-line波长变化的关系,而且可以有效地减小测量误差,使其小于0.5×10^(-6).

星载全固态激光器的实验研究

激光二极管抽运的全固态激光器具有体积小、质量轻、效率高的特点,是目前星载激光雷达系统的主要发射光源。介绍了一种基于传导冷却的LD阵列侧面抽运Nd:YAG晶体的Zig-Zag板条激光器。板条介质能够消除棒状介质带来的一阶热聚焦和应力退偏效应。采用55个准连续激光二极管沿板条晶体长度方向均匀排列,通过柱面镜耦合进行均匀抽运。Nd:YAG晶体的散热是采用与其热膨胀系数匹配的金属热沉由光泵背面将热量传导出去。LD阵列的散热是通过紫铜热沉传导到底板,再由热管传递出去。实验中使用平凹激光谐振腔,重复频率20Hz,获得单脉冲能量大于150mJ的激光输出,脉冲宽度10ns左右,光-光转换效率大于15%。实验表明:该激光器具有在太空中应用的潜力。

星载大气探测激光雷达技术与应用

本文对国内外星载大气探测激光雷达的原理、技术和应用等情况进行了分析和归纳。星载大气探测激光雷达的发展,是科学需求、探测理论、硬件技术、应用能力波浪式推动和迭代的过程,具有弱周期性。在云和气溶胶方面,多波长、高光谱分辨结合偏振的综合探测将为科学研究提供更精细的微观信息,而小型化微脉冲激光雷达则为星座探测提供了技术基础。在大气成分方面,积分路径差分吸收技术将能提供更精确的数据。激光雷达是对其他遥感系统的有效补充,更加注重廓线探测、空间分辨和测量精度,在水平覆盖、探测效率等方面存在天然不足,激光雷达与其他遥感手段结合,才能构建更加科学的观测体系,为科学研究和遥感应用提供更有力的支撑保障。

星载激光雷达高精高稳探测卫星系统保证技术

激光雷达探测精度高,具备全天时工作和垂直探测能力,在大气环境天基遥感领域应用广泛。基于CO2柱线浓度激光遥感探测原理,分析了积分路径差分吸收星载激光雷达测量系统的激光波长、能量精度和稳定性及光轴指向精度等关键指标要求和功能模块配置,重点开展了星载激光雷达光机头部稳定安装、良好机热环境保障及星敏载荷一体化布局等整星层面系统设计保证,仿真结果初步表明设计方案可行。同时,提出了激光雷达波长、能量精度及稳定性实时监测、卫星对地光轴指向高精度测定和星地载荷光轴指向测量误差标定的地面试验验证要求,以确保系统设计的有效性,为激光雷达遥感卫星的研制提供了技术参考。

CALIOP反演海洋颗粒物后向散射系数方法概述

颗粒物后向散射系数(particulate backscattering coefficient,bbp)是海洋光学应用于海洋生态学和生物地球化学研究的核心参数。但目前常用的原位方法短时间内无法完成大范围的探测,被动水色遥感无法在缺乏光照以及有云的条件下工作,相比之下,主动遥感方式星载激光雷达可以突破以上限制,在海洋探测方面具有极大的优越性。2006年发射的CALIOP成为首个能够提供全球海洋bbp数据的星载激光雷达,特别是为极地观测和昼夜观测提供了重要数据。文中详细介绍了CALIOP系统原理及其三级主要数据产品,重点梳理了利用CALIOP 532 nm偏振通道退偏比反演bbp的方法以及后续的退卷积校正系统瞬态响应等改进措施,总结出了一套详细完整的反演流程,开发出对应算法并展示了bbp的反演结果,旨在为我国未来星载海洋激光雷达的数据处理及应用工作提供参考。

星载激光雷达云和气溶胶分类反演算法研究

激光探测对于获取云和气溶胶的垂直廓线,研究大气中云和气溶胶的垂直分布特征以及对全球气候变化的影响意义重大。而星载大气激光雷达云气溶胶分类算法的研究,对于激光雷达数据的参数反演及应用极为重要。针对激光条件下探测的云和气溶胶特有的光学信息和空间分布,结合概率统计与机器学习算法,提出了一种对于云/气溶胶、云相态及气溶胶子类型识别的分类算法,实现了星载激光雷达的大气特征层快速、有效分类。算法采用中国地区2016年CALIOP的观测数据作为样本数据,主要由三部分组成:(1)基于激光探测的云和气溶胶层不同的光学特性以及地理空间分布特征,分别构建了云和气溶胶的γ532,χ,δ,Z和lat的五维概率密度函数,以此为基础构建云气溶胶的分类置信函数,并基于此实现了云和气溶胶类型的反演;(2)选取支持向量机(SVM)作为随机朝向冰晶粒子(ROI)和水云分类的算法模型基础,结合云层的γ532,χ,δZ和云顶温度T的概率密度函数构建ROI,水平朝向冰晶粒子(HOI)和水云的分类置信函数以修正SVM误分的特征层以及筛选出水云中少部分的HOI冰云,获得云相态的分类结果;(3)以各气溶胶子类型的光学以及空间分布特性为基础,采用决策树策略的气溶胶子类型识别算法实现了对气溶胶子类型的区分,完成气溶胶子类型的识别。利用现有CALIOP观测结果作为样本数据构建分类数据库,避免了对于地面以及航测数据的依赖,而机器学习则大大简化了算法的实现过程,使得云气溶胶分类更加高效。算法结果与正交极化云气溶胶激光雷达垂直特征层分布数据(CALIPSO VFM)产品对比分析:云层有98.51%一致性,气溶胶有88.43%的一致性,且白天比夜间一致性高。对于云相态分类,可以有效区分出水云和冰云,其中二者水云一致性高达93.44%。在气溶胶子类型反演结果中,可以准确识别出大多数气溶胶特征层子类型。霾、沙尘以及晴空三种典型情况下的反演结果均与CALIOP VFM产品数据具有较好的一致性。其中,霾天的大部分煤烟型以及污染型(污染沙尘以及污染大陆)气溶胶反演结果与VFM具有较好的一致性。沙尘天也能够获得较好的沙尘以及污染沙尘的结果。晴空为数不多的气溶胶层也取得了较为一致的结果。对于实现的星载大气激光雷达特征层分类算法,针对CALIOP激光测量的云气溶胶层的分类进行了重要的改进,在保证一定精度的基础上,简化了算法,提高了数据处理的效率,在下一步工作中,将分别构建不同时段和季节的分类模型以及提高两种不同偏振特性的冰云和气溶胶子类型的分类精度。

星载激光雷达中固态标准具的结构设计及性能检测

星载云-气溶胶激光雷达可精确获得全球云-气溶胶探测数据,利用干涉仪窄带滤波器来探测大气中的云和气溶胶可以提高回波信号的信噪比,并可进行全天探测。根据星载激光雷达对使用环境以及温度调谐的要求,选择固态标准具来实现所要求的干涉仪滤波器,对其材料的选择和结构的设计进行了分析,在封装设计时增加了温控结构,并对固态标准具进行了热应力耦合分析。综合考虑工作温度和入射角度的影响,给出最优的性能测试方案,根据方案测得固态标准具的温度调谐满足中心波长调谐范围。