星载激光雷达CALIOP数据处理算法概述

CALIOP是首个能观测全球大气状态的星载偏振激光雷达,自2006年发射以来,为研究全球气候和环境变化提供了大量的第一手数据资料,在大气遥感领域具有重要的现实意义。文中系统介绍了星载激光雷达CALIOP的功能结构、数据产品以及数据处理过程。重点介绍了CALIOP的层次识别、场景分类和消光反演的算法原理和流程。

星载激光雷达CALIOP功能、产品和应用

星载激光雷达CALIOP实行对地例行的垂直切片式扫描,形成对地球大气中气溶胶和云高分辨的立体监测网。系统介绍星载激光雷达CALIOP的功能、特性、数据结构、反演过程、产品和不确定性,CALIOP资料和产品在示踪沙尘和污染物输送,验证模型模拟的云和气溶胶空间分布,云和气溶胶相互作用,气溶胶和云空间分布三维结构的长期平均状态,更新有关气溶胶和云特性的认识等方面的应用,以及在我国区域空气质量研究中的应用前景。

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。

基于星载激光雷达数据的森林地上生物量估算方法比较

近年来,星载激光雷达数据已被广泛用于大尺度森林地上生物量估计,但由于其激光光斑采样点不连续,通常使其需要与辅助数据相结合来估算森林地上生物量的连续分布,且估算方法仍存在许多不确定性。研究以祁连山国家公园为样本,结合星载激光雷达ICESat/GLAS数据、Landsat OLI数据和样地调查数据建立了3种基于非参数化算法(普通克里金插值(Ordinary Kriging,OK),支持向量回归(Support Vector regression,SVR)和随机森林(Random forest,RF))的森林地上生物量估算模型,以森林资源清查数据独立验证各模型估计精度。结果发现:3种模型的均方根误差(RMSE)从低到高依次为SVR(19.053 t·hm^(-2))、RF(21.074 t·hm^(-2))和OK(26.362 t·hm^(-2)),平均相对误差(MRE)从低到高依次为SVR(31.890%)、RF(33.314%)和OK(55.398%),且除OK模型外,SVR与RF模型的总体相对误差(TRE)都在可接受的范围内。进一步对SVR与RF模型生成的森林地上生物量空间分布的准确性进行验证,发现相较RF模型,SVR模型生成的森林地上生物量空间分布与森林资源清查数据更为接近。SVR森林地上生物量估计模型在数量精度和分布精度上都表现更优。结果可为今后基于星载激光雷达数据的森林地上生物量估算提供借鉴。

星载激光雷达估测森林结构参数研究现状分析与展望

星载激光雷达系统可以覆盖机载系统难以到达的偏远地区,从机理上克服光学影像及合成孔径雷达测量的技术缺陷,为快速准确地获取林下地形、树高、生物量等森林结构参数提供了可靠的数据源。对现有的星载激光雷达技术观测体系进行综述,讨论了星载激光雷达数据估测多尺度森林结构参数的适用性,定量化分析现有星载激光雷达研究成果及存在的优缺点。最后,总结当前存在的问题,对星载激光雷达技术未来的前景和发展方向进行了展望。建议后续研究可进一步加大对反演不同森林结构参数、产品体系及标准规范、林业应用精度评价、林业用激光雷达参数设计等方面的深入研究。

基于改进DBSCAN的星载激光雷达数据多尺度滤波研究

星载激光雷达数据滤波过程易受复杂背景、粗差点、噪声点等问题的干扰,导致滤波效果大幅度下降,所以研究基于改进DBSCAN的星载激光雷达数据多尺度滤波方法。采用改进DBSCAN算法对星载激光雷达数据做聚类处理,并标记噪声点,通过半球形邻域算法提取点云数据特征。根据提取到的点云数据特征构建规则格网,通过格网的多路径效应剔除点云数据中的粗差点与噪声点,完成星载激光雷达数据多尺度滤波。实验结果表明,所提方法的星载激光雷达数据多尺度滤波误差较低、滤波效果好,实际应用价值较高。

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.

CALIOP数据在星载相干多普勒测风激光雷达性能仿真中的应用

利用2007—2008年21个月CALIOP测量的夜间气溶胶后向散射系数的全球三维平均分布数据取代传统仿真中的气溶胶模型数据,对晴空条件下的2.1μm相干多普勒测风激光雷达的测风性能进行了计算机仿真研究。仿真结果表明,采用合理的系统参数设计,在20°S至40°N之间4.5km海拔之下单激光脉冲的径向风速误差普遍小于1m/s。以1m/s作为可接受风速误差的标准,符合标准的最大可测量海拔高度向两极方向递减,在南极附近减至1~2km。若10个激光脉冲平均测量,在对流层下层风速误差可降至0.5m/s以内,且在35°N附近最大可测量海拔高度可达5.5km。

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。

星载激光雷达的发展与应用

简要介绍了激光雷达的原理和发展过程,并对国外主要星载激光雷达系统(MOLA,GLAS等)的技术参数和科学目标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,最后指出了现阶段我国发展星载激光雷达的可能性和必要性。

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。

星载海洋激光雷达最佳工作波长分析

星载激光雷达是实现海洋垂直剖面探测的有效工具,也是目前迫切需求的海洋光学遥感手段。对星载海洋激光雷达的波长参数进行评估对保证探测有效性具有重要意义。本文从探测深度和信噪比两方面分析了星载海洋激光雷达探测全球海洋的最佳波长。利用MODIS 10个波段的水体光学特性数据,估算全球海水探测深度及相应的最优波长;并根据太阳夫琅禾费暗线特性,对信号信噪比进行优化。结果表明:在探测深度方面,最优探测波长在488 nm波段的海洋占全球海洋面积的70%左右,并且全球95%以上的海域在488 nm波段的探测深度优于0.8倍的真光层深度;在信噪比方面,相对于488 nm波段,486.134 nm夫琅禾费暗线处采用0.1 nm带宽的滤光片可以将背景光强度降低70%,相应地回波信噪比整体提升了约5.0%。就全球海洋探测来说,使用486.134 nm作为探测波长可以提高探测深度,有效抑制太阳背景光,提高信噪比,因此,486.134 nm是星载海洋激光雷达的最佳工作波长。

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。

基于星载激光雷达数据和支持向量分类机方法的森林类型识别

以长白山汪清林区为例,分析了星载激光雷达(ICESat-GLAS)数据在森林类型识别上的应用效果。采用软件Matlab和IDL对原始二进制数据进行处理,得到GLAS回波波形图;进一步提取与森林类型相关的波形特征参数,作为支持向量分类机(C-SVC)的输入量,进行森林类型识别,并采用K-折交叉验证方法对核函数选择进行评价。结果表明:C-SVC分类方法能够识别阔叶林和针叶林2种森林类型,识别精度达到85.24%。

星载激光雷达探测能力的数值模拟分析

为了研究星载大气探测激光雷达的技术参量对其探测性能的影响,采用合适的大气模式和星载大气探测激光雷达设计参量,对其接收的大气后向散射回波信号和探测回波信号的信噪比进行了数值模拟计算;同时模拟分析了星载大气探测激光雷达对沙尘和卷云的探测能力。结果表明,星载大气探测激光雷达对气溶胶的探测水平分辨率应设置为75km,且仅夜晚的探测能力能够达到信噪比大于10的要求;对卷云和沙尘探测水平分辨率应设为7.5km。该结果为该星载大气探测激光雷达的研制提供参量设置的基本依据。

星载激光雷达森林探测进展及趋势

森林是陆地上组成结构最复杂的生态系统,星载激光雷达兼具高垂直分辨率的优势和大范围数据获取的特点,在大区域尺度的森林参数定量反演方面具有独特的优势。从全波形激光雷达、光子计数激光雷达、成像激光雷达的技术特点、数据处理和森林参数提取等方面,总结了国内外森林探测激光雷达卫星载荷的发展、参数设置及应用潜力,以服务我国星载激光雷达森林探测系统的建设和发展。结合激光雷达辐射传输模型,探讨适合森林探测的激光雷达传感器参数方案,并以ICESat卫星的地球科学测高系统(GLAS)和先进地形激光测高系统(ATLAS)数据为例,探讨星载激光雷达的森林参数反演方法,最后总结梳理了现有星载载荷的优劣并给出后续载荷发展的建议。

中国地区卷云消光后向散射比的星载激光雷达遥感

利用两年的星载激光雷达数据对中国地区卷云的消光后向散射比[又称激光雷达比(简称LR)]进行了研究分析。其中结合多次散射对光学厚度的依赖关系式和LR与透过率之间的关系式来求取LR,并提出五条质量控制标准来保证数据质量的可靠性。统计结果指出LR的月季变化并不是很明显,均值在24左右。中国地区的LR在热带辐合带相对较高,并随纬度的降低而增加(大约从22到27)。同时,从这个结论得出,为了更好地求取卷云的光学厚度,在中国地区为星载激光雷达选取的LR常数应该随纬度变化而改变。

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).

中国地区卷云分布特征的星载激光雷达遥感

利用2006年6月至2008年5月CALIOP（Cloud-Aerosol LIdar with Orthogonal Polarization）水平分辨率25km云层产品来研究中国地区的卷云分布特征。所采用的3条基于卷云气候态的质量控制标准能够有效的剔除CALIOP云种分类产品中判别误差。通过卷云水平分布的研究发现,区域性强烈的辐合上升气流和丰富的水汽导致中国南部靠近热带辐合带（ITCZ）的热带地区卷云具有约60%左右的最大发生频率。沿青藏高原抬升的暖湿空气能够产生很多地形型卷云,从而导致干旱的青藏高原东北坡出现了相对较大约30%~40%的卷云覆盖。ITCZ和季风的时空迁移主导了卷云在纬度上的季节性分布特征,同时也导致青藏高原东北坡的相对高值主要出现在春冬季节。沿纬度的卷云垂直分布的变化揭示出低纬度卷云的云顶高度更多的集中在16km附近,这主要是因为对流层顶限制了卷云的发展。通过对多层卷云系统的研究揭示出伴随不同云种的系统的水平分布特征与各种云种的随纬度的分布密切联系。除伴随卷云发生的多层卷云系统以外,青藏高原东北部的相对高值主要是伴随海拔较高的高积云的系统的发生导致的。

中国利用星载激光雷达开展沙尘和污染研究的综述

激光雷达作为一种新兴的主动遥感探测工具,被广泛应用于大气遥感、环境监测等领域。星载激光雷达由于其较广的探测范围、较高的时空分辨率、可获得连续的廓线数据等优势,已经成为全球及区域气溶胶和云特性观测研究的强有力工具。本文总结了自2006年CALIPSO卫星发射以来,中国科学家在利用其开展沙尘气溶胶及污染研究方面的工作,重点阐述了沙尘气溶胶的时空分布、远距离传输、分类识别、光学特性、沙尘释放、辐射与气候效应,以及灰霾和烟尘特性等方面的最新研究成果。对以上研究成果的梳理,有助于深入理解中国在利用星载激光雷达开展沙尘与污染研究的水平,也为未来开拓中国自主研发星载激光雷达的遥感应用领域奠定了基础。