激光测高卫星数据处理关键技术及应用

第1章绪论 激光是20世纪以来继核能、电脑、半导体之后又一重大发明，被称为“*快的刀”“*准的尺”“*亮的光”。早在1916年，爱因斯坦就预言了激光的存在，1960年美国科学家梅曼在实验室条件下获得**束激光并将其引入实用领域。在短短几十年的时间里，激光技术发展迅猛。激光测距技术也在各行各业开展了应用，尤其是随着航空航天技术的飞速发展，星载激光测量系统展现出独*的优势。 1.1激光测高技术 自20世纪70年代以来，星载激光测高技术得到迅猛发展。激光测高*先应用于深空探测，美国在1970年将开发的激光测量系统用于阿波罗月球科学观测；1994年由美国弹道导弹防御组织（原星球大战计划）和美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）共同执行的克莱门汀探月计划，采用激光高度计获得高精度月球表面特征信息；1996年美国的“火星全球勘测者”（Mars global surveyor，MGS）卫*搭载火星轨道激光测高仪（Mars orbiter laser altimeter，MOLA）进入火星轨道，获得了大量火星表面的物理特征数据；随后NASA将MOLA的备份器件搭载到航天飞机用于对地观测试验；2000年“近地小行星交会”（near Earth asteroid rendezvous，NEAR）探测器搭载的激光高度计对小行星爱神（Eros）进行观测，并绘制了精确的三维外形图（Yoon et al.，2005；Veverka et al.，2001；Spudis et al.，1994）。 在探空领域沉寂多年后，国内外航天机构又迎来地外空间探测的高峰期（河野宣之等，2010；Kaneko et al.，2000；Araki et al.，1999）。日本2006年发射的“月亮女神”（SELENE）①卫*也搭载了激光测高仪，日本利用其所获测高数据建立了包括两极地区的精准月球全球地形图，同时分析了月球重力和　　地形数据；2008年10月，印度发射的月船1号（Chandrayaan-1）卫*上搭载了月球激光测距仪（Lunar laser ranging instrument，LLRI），用于提供探测器距离月球表面的精确高程，测量月球全球地形。2006年，美国发射的“信使号”卫*（MESSENGER）探测器装载了水星激光测高仪（Mercury laser altimeter，MLA）有效载荷，经过6年半的长途飞行于2011年7月到达水星轨道并开始获取数据。2009年7月美国重启探月计划，在月球勘测轨道器（Lunar reconnaissance orbiter，LRO）上搭载了**个空间多光束月球轨道激光测高仪（Lunar orbiter laser altimeter，LOLA），用于帮助人类探索月球时选择合适的着陆点，该测高仪获得的月球地形数据以其良好的覆盖和质量，在国际上得到了广泛的认可和应用。2016年9月美国发射的奥西里斯-雷克斯（OSIRIS-REx）小行星探测器上搭载了激光测高仪，用于获得贝努小行星的全球地表模型和采样区的高精度地形；2018年欧洲空间局（European Space Agency，ESA）和日本宇宙航空研究开发机构（Japan Aerospace Exploration Agency，JAXA）联合研制的贝皮-哥伦布（Bepi-Colombo）探测器搭载激光测高仪，用于研究水星星体地貌。 我国于2004年启动了“嫦娥探月”工程计划，通过“绕”“落”“回”三步走战略来实现月壤标本的采样返回。2007年10月，“嫦娥一号”（CE-1）成功发射升空，卫*搭载了激光测高仪用于月球地表测量，为后续月球软着陆和月壤采样返回技术奠定了基础（赵双明等，2014；周增坡等，2011；李春来等，2010；王文睿等，2010）。2020年11月，我国长征五号遥五运载火箭成功发射嫦娥五号探测器，并圆满完成我国地外天体采样返回之旅。在深空和宇宙天体探测领域，激光测高技术始终扮演着至关重要的角色。 1.2激光对地测高卫* 激光对地测高系统有别于深空探测，不仅需要考虑地球大气的影响，还要顾及复杂地表地物对激光信号的影响。从目前公开资料来看，2003年美国发射了首颗对地激光测高卫*ICESat；在此基础之上，2018年9月又发射了ICESat-2，平台搭载了先进地形激光高度计系统（the advanced topographic laser altimeter system，ATLAS），用于高重频地表信息探测；同年美国将全球生态系统动态调查（global ecosystem dynamics investigation，GEDI）激光测高系统安装到国际空间站，通过大光斑激光脉冲测量全球三维地形。经过几十年的尝试与发展，从线性体制激光雷达到光子计数激光雷达，美国始终走在世界前列，目前已经将新体制的激光测高雷达应用于航空航天领域。 相对而言，国内对星载激光测高技术的研究起步较晚。2016年发射的资源三号02星首次搭载了国产激光测高试验载荷；2019年11月高分七号卫*搭载两台线性体制激光测高仪，用于辅助全球立体测绘任务；2020年6月资源三号03星沿用02星的测量模式开展国土资源调查；2020年12月，高分十四号卫*搭载三台线性体制激光测高仪辅助光学立体测绘。近期陆地生态碳监测卫*的研制工作也正式批准立项，该卫*主要采用多波束激光雷达进行森林植被变化、反演全球生物量研究。我国在激光测高卫*系统的总体设计方面进行创新性探索，利用同平台的光学相机和激光雷达联合获取数据，这样的设计给地面数据处理系统带来新的挑战和更高的要求。 1.2.1ICESat ICESat于2003年1月13日在美国加利福尼亚的范登堡空军基地发射升空，沿近似圆形的极地轨道飞行，高度大约为600km，轨道倾角为94°，回归周期约为183天。该卫*观测数据可覆盖地球表面大部分地区，但是由于激光器故障及其他多种原因，该卫*已于2009年10月11日停止采集数据。 ICESat的主要科学目的是测量冰面地形变化、云层及大气层的特征等，卫*上搭载的地球科学激光测高系统（geoscience laser altimeter system，GLAS）可测定沿轨道的陆地和水面的三维地形（图1.1），GLAS由NASA的戈达德宇航中心（Goddard Space Flight Center，GSFC）研制，激光测高仪测量参数见表1.1。GLAS的激光脉冲在地球表面上的激光光斑直径大约为70m，同一条带内相邻光斑中心的间距约为170m，相邻条带间的距离随纬度变化而改变：赤道附近轨道间距约为15km，纬度80°处的间距约为2.5km。Nd：YAG激光器以40Hz的频率发射红外（1064mm）和绿色（532mm）脉冲：前者用于地面和海平面测高，利用1064nm激光脉冲的反射信号特征可以确定表面的高程和粗糙度信息，高程测量精度可以达到0.15m以内；后者用于大气后向散射测量，测量沿轨方向云和气溶胶高度分布的空间分辨率可达75～200m，对厚云层测量的水平方向分辨率为150m（Abshire et al.，2005；Carabajal et al.，2005；Fricker et al.，2005a，2005b；Hlavka et al.，2005；Luthcke et al.，2005；Schutz et al.，2005；Zwally et al.，2002）。 GLAS的激光器Laser1在运行37天后便停止工作，随后启动激光器Laser2开展数据采集，但因能量衰减过快而调整了工作模式。为了充分发挥ICESat在轨获取连续数据的能力，自2003年秋季GLAS将运行方式从不间断测量改为每年91天精确轨道回归周期测量，并在每年的2～3月、5～6月及10～11月，分别进行为期30多天的数据获取。激光器Laser3运行时间较长，从2003年1月发射至2009年GLAS停止工作，共进行了15次（每次33天）测量。激光器Laser3采用双频光束通道，大大提高了对地表的观测精度，如在坡度平缓地区观测精度达到0.14m，在平坦冰面的形变量监测精度甚至可达到0.02m。 1.2.2ICESat-2 新一代星载激光雷达卫*ICESat-2于2018年9月15日发射升空，轨道高度约为498km，轨道倾角为92°，回归周期为91天，飞行速度约为6.9km/s。卫*搭载的ATLAS采用多波束微脉冲光子计数技术，每秒可以发射10000个激光脉冲，如图1.2所示。ICESat-2具有低能耗、高测量灵敏度、高空间分辨率等特性，这些特性使它能够通过产生密集的沿轨道采样点来克服航天器功率的限制，扩大空间扫描覆盖面积，为未来的星载激光测高提供很好的前景。ICESat-2可以帮助科学家研究在气候变暖情况下冰冻圈发生变化的原因和程度、测量冰盖和冰川质量的变化、估算和研究海冰厚度等，还可以测量地球上温带和热带地区的植被高度，对全球森林和其他生态系统的植被进行评估（Brunt et al.，2019，2016；Magruder et al.，2018；Tang et al.，2016；Moussavi et al.，2014；宋平等，2011；杨帆等，2011）。 ICESat-2搭载的ATLAS光子计数激光测高仪具有以下显著特征。 （1）多光束系统，由沿轨道的3对6个单独的发射波束组成，在轨道上的间隔为3.3km，每对光束将具有90m的跨轨道和2.5km的沿轨道间距，旨在满足探测冰面空间变化的科学要求，每对波束弱、强光束的能量比约为1︰4，用来补偿变化的表面反射。 （2）微脉冲光子计数技术，能够有效地检测从地球表面反射回来的光子。ATLAS设计允许密集的沿轨道采样和大空间覆盖，且在高飞行高度下具有低能量需求。ATLAS平均轨道高度为496km，在轨道上以0.7m的中心间距产生17m直径的足迹（图1.3）。相比之下，GLAS足迹直径为70m，间隔为170m。 （3）ATLAS只能在一个单脉冲（532nm）下工作，激光重复频率为10kHz。密集采样和广泛的空间覆盖将对大规模应用有利，如海平面变化监测、森林结构绘图和生物量估算、改进的全球数字地形模型估算，以及减少与估算的森林生物量和碳相关的不确定性。 1.2.3资源三号02/03星 国内对星载激光测高技术的研究起步较晚，主要聚焦于单激光束脉冲测高系统平台的应用模式，国内研究机构也开展了相应的创新探索。2016年5月30日，我国在太原卫*发射中心成功发射了民用三线阵立体测图卫*资源三号02星（ZY3-02），2020年7月25日成功发射了资源三号03星（ZY3-03），形成资源三号多星组网运行（图1.4）。资源三号02/03星均搭载了国内自主研制的对地激光测高载荷，主要用于测试激光测高仪的功能和性能，探索地表高精度控制点数据获取的可行性，