星载激光高度计回波超分辨率反演技术研究

具备波形记录功能的星载激光高度计是近几年来出现的一种新型的激光遥感设备，它不仅能提供激光测距数据，而且为目标信息的定量遥感提供了一种全新的手段。由于接收脉冲回波信号直接与目标信息相关，因此，基于回波形态的超分辨率反演技术研究变得十分必要。利用星载激光高度计的工作原理、光与物质的相互作用和光学衍射理论，研究接收脉冲回波的形态和时间分布特性。这些特性包括时间重心、时间脉宽和波能量等参量。通过对接收脉冲回波时间特性的研究，剖析激光脉冲与地面目标的相互作用过程和脉冲回波的形成原理。将实测脉冲回波数据和波形形态理论相结合，定量反演出光斑内的目标信息，并辅助完成测高数据的分类和边界提取，这有助于实现目标信息的高精度、超高分辨率的反演。

本项目基于星载激光高度计的工作原理、光与物质的相互作用和光学衍射理论，系统地研究激光高度计接收脉冲回波的形态和时间分布特性。根据接收脉冲回波形态理论，定量反演出光斑内的目标信息，并辅助完成测高数据的分类和边界提取，实现了目标信息的高精度、超高分辨率的反演。通过三年来的研究工作，主要取得以下的研究成果及结论：.1. 系统地建立了完善的星载激光高度计接收脉冲回波信号的理论模型，讨论了在不同高程分布的目标情况下，接收脉冲回波信号的时间特性参数与激光高度计系统参数和目标参数之间的数学关系，为实现目标信息的超分辨率反演提供了理论依据；.2. 根据激光高度计的工作流程，通过对发射激光束和目标的空间分布进行网格划分，获取激光高度计接收脉冲回波信号的仿真模型。利用现有GLAS系统参数，模拟出不同目标参数条件下的接收脉冲回波波形分布，直观地描述了接收脉冲回波形态与目标参数之间的关系；.3. 基于激光高度计接收脉冲回波信号的分布特点，利用平滑滤波、初始参数获取以及非线性最小二乘算法，开发了一种提取接收脉冲回波统计参量的波形分析器，为反演目标参数提供数据源。.4. 通过对接收脉冲回波信号时间重心方差进行解算， 推导得到基于激光高度计系统参数、目标参数以及阈值条件的激光测距的评判模型，并为成功实现对激光高度计部分系统参数的优化；.5. 根据激光高度计的工作原理，利用实验室现有的硬件及部分购置硬件，搭建了小型的激光高度计桌面实验样机。采集了不同目标的回波数据，有效地验证激光高度计接收脉冲回波形态理论。.本项目的研究成果为反演目标信息，建立高精度的目标DEM模型提供了理论和技术支撑，这对于我国未来发展激光试验卫星，实现高分辨率的对地观测手段具有十分重要的实际意义。