CN111060899A - 星地一体化激光雷达回波波形仿真方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了星地一体化激光雷达回波波形仿真方法及系统，该方法包括：(1)以卫星的运行状态为出发点，模拟卫星不同运行状态下激光器发射的信号数据；(2)以地球大气参数为输入数据，仿真步骤(1)所模拟信号受到大气影响而产生的不同效应；(3)针对不同地表地物类型，采用漫反射体特性仿真经地表后向散射后的激光信号；(4)仿真后向散射后的激光信号再次与大气层作用后到达激光接受望远镜，经空间二维积分和时间维的离散采样，得到经过的回波波形数据。本发明星地一体化的激光雷达回波信号仿真方法，填补了国内在这方面的空白，为星载激光测高系统预研工作提供了分析的依据。

Description

星地一体化激光雷达回波波形仿真方法及系统

技术领域

本发明属于航天摄影测量领域，特别涉及星地一体化激光雷达回波波形仿真方法及系统。

背景技术

星载激光测高技术是利用卫星携带的激光测高仪发射脉冲信号，并记录经地表反射后的激光回波数据，实现地表高程信息的测定。利用计算机仿真星载激光雷达的工作流程，是一种分析激光器性能、卫星载荷设计及数据处理等重要技术手段；同时激光回波数据仿真也是用于激光在轨几何定标流程的关键技术手段之一。

目前国外计算机仿真技术发展很快，可以比较逼真地仿真出激光回波信号和地物发射特性，取得了一定成果，但是还是不能代替物理仿真。且在查到的仿真软件文献中，多数是应用成果介绍，很少见到详细的软件内容。因此研究国内的星载激光回波数据仿真算法和系统来指导卫星的预研工作、从而减少物理仿真的成本是很有必要的，本发明就是涉及星载激光雷达测量链路仿真系统中比较重要的激光回波数据仿真部分。

发明内容

本发明的目的是提供星地一体化激光雷达回波波形仿真方法及系统。

本发明提供的星地一体化激光雷达回波波形仿真方法，包括：

(1)以卫星的运行状态为出发点，模拟卫星不同运行状态下激光器发射的信号数据；

(2)以地球大气参数为输入数据，仿真步骤(1)所模拟信号受到大气影响而产生的不同效应；

(3)针对不同地表地物类型，采用漫反射体特性仿真经地表后向散射后的激光信号；

(4)仿真后向散射后的激光信号再次与大气层作用后到达激光接受望远镜，经空间二维积分和时间维的离散采样，得到经过的回波波形数据。

步骤(1)进一步包括：

1.1根据卫星平台所涉及的坐标系，进行坐标系之间的相互转换；根据轨道动力学方程模拟卫星平台的运行轨迹，利用设定参数离散化得到无误差的卫星轨道测量数据；根据姿态稳定度指标及颤振模型模拟无误差状态下的姿态测量数据；

1.2设定激光载荷的仿真参数，包括激光器发射信号的脉冲宽度，激光发射波强度，激光扩束发散角，激光光束的发散角，激光器发射频率，噪声，信号出射延迟，光斑中心偏移；

1.3模拟激光发射波信号。

子步骤1.3中，采用重尾函数f(t)模拟激光发射波信号：

其中，a为激光脉冲信号的峰值，τ为激光脉冲的脉冲宽度，t表示时间维。

步骤(2)进一步包括：

2.1采用模型

模拟激光发射波信号的大气折射弯曲效应，N(h)表示大气折射率差随高度h变化的量，h为海拔高度，N₀为地面折射率，k为直线斜率，a、b、c为待定参数；

2.2对激光发射波信号传输过程进行大气延迟改正；

2.3对激光发射波信号传输过程中的散射效应进行模拟。

步骤(3)进一步包括：

3.1模拟生成激光光斑在地物目标的分布；

3.2离散化地表目标的高程分布信息；

3.3基于朗伯体定律计算地表目标的信号发射率；

3.4模拟目标反射激光信号的空间分布信息，假定目标空间分布为h(ρ)，表面反射率为β(ρ)，则在瞬时测量坐标系下的目标空间分布h′和反射率分布β′为：

h′(ρ′)＝x′tanφ+h(ρ)/cosφ；β′(ρ′)＝β(ρ)·cosα(ρ′)；

其中，φ为激光测高仪的观测角，ρ’＝(x’,y’)表示瞬时测量坐标系下的平面坐标，α(ρ’)表示激光束光轴与目标法线所夹的角度。

子步骤3.1具体为：

根据星载激光测高仪的测量过程，建立目标参考坐标系和瞬时测量坐标系；

以激光束中心与目标的交点为坐标原点，以星载激光测高仪的飞行轨迹方向作为x轴方向，以天顶方向作为z轴方向，y轴方向根据右手螺旋法则确定，称xyz坐标系为目标参考坐标系；

以激光束中心心方向作为z′轴方向，y′轴与y轴重合，x′轴同样根据右手螺旋法则确定，称x′y′z′坐标系为瞬时测量坐标系；

再结合卫星的轨道和姿态信息，计算激光点在地面的地理坐标，并根据激光的入射状态来确定光斑的能力分布。

子步骤3.2具体为：

在激光光束坐标系下，定义椭圆高斯足印在长轴和短轴方向上的发散角分别为θ₁和θ₂，则椭圆高斯足印光斑在空间维(x,y)的分布I(x,y,θ₁,θ₂)为：

步骤(4)具体为：

将激光回波信号到达接受望远镜镜头的时间进行离散化分解，并将每个时间段内各光斑离散点的回波能量集成，从而得到激光回波信号仿真波形数据。

本发明提供的星地一体化激光雷达回波波形仿真系统，包括：

第一模块，用来以卫星的运行状态为出发点，模拟卫星不同运行状态下激光器发射的信号数据；

第一模块，用来以地球大气参数为输入数据，仿真步骤(1)所模拟信号受到大气影响而产生的不同效应；

第一模块，用来针对不同地表地物类型，采用漫反射体特性仿真经地表后向散射后的激光信号；

第一模块，用来仿真后向散射后的激光信号再次与大气层作用后到达激光接受望远镜，经空间二维积分和时间维的离散采样，得到经过的回波波形数据。

和现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

本发明结合卫星平台的运行状态，制定合适的激光器仿真参数，对于典型地物目标(漫反射体目标)离散方式表述，将其转换到地物目标参考坐标系下，以得到目标高度分布。为了精确而快速地解算对应的激光能量分布，须将目标光斑分解成若干矩形或者三角网格，以保证其内部的光强分布为一常数。网格化后目标响应函数由连续函数积分变成二维离散积分，相应的目标响应函数在时间上可以划分为若干段，每个时间段内的目标反射回波的能量利用离散化方式实现仿真激光回波信号。

本发明目的在于解决现有技术不足，提出了一种星地一体化的激光雷达回波信号仿真方法，填补了国内在这方面的空白，为星载激光测高系统预研工作提供了分析的依据。

附图说明

图1是本发明实施例1的流程图；

图2是本发明实施例2的流程图；

图3是本发明实施例3的流程图；

图4是本发明实施例4的流程图。

具体实施方式

本发明的实现基于星地一体化激光雷达回波波形仿真的建模，主要包括以下四个部分；

①激光信号发射子系统。

激光器发射信号是输出光源经过激光发射光学系统后形成的，与激光测高仪和发射光学系统的硬件参数相关。通过研究激光器的工作模式、工作条件对其输出信号的影响，建立相关的物理和数学模型的传递函数，进而模拟得到激光发射信号的空间和时间分布。

②激光信号传输子系统。

激光器发射信号到接收地面反射的信号需要两次经过地球大气层，在传输过程中大气对激光信号的影响主要体现在时间和空间两方面。其中，大气湍流和大气散射会导致激光能量的空间分布发生变化，同时大气的多散射效应会造成激光脉冲信号的展宽，大气的折射效应还会引起激光传播路径弯曲和时间延迟。

③地表后向散射子系统。

当激光器发射信号入射到地面的被测目标，发生表面散射，由于激光具有很强的聚束性，这里可以认为激光入射光线属于水平入射光线，而地面的后向散射强度和能量分布则根据表面模型的粗糙度而定。

④激光信号响应子系统。

利用激光脚印光斑内目标的高度分辨率、坡度坡向以及粗糙度计算激光信号在时间维的能量分布，便可以得到离散化的激光回波信号响应函数。

(一)激光信号发射

假定激光器输出信号的空间模式函数为f，光学发射系统的传递函数为g，那么激光信号的空间模式I可表示为I＝f*g。通常情况下，激光器发射的信号在空间维和时间维的分布可近似为高斯分布，那么激光出射光束在传播方向上的截面空间分布近似为二维高斯分布，激光信号的空间分布见下式：

式(1)中，Q为发射脉冲的总能量，R为激光信号出射到被测目标的距离，θ_T为激光光斑中心能量衰减为e^-1/2时光束截面半径，ρ为激光光斑上点到中心的距离。

激光器发射的信号随时间t的变化函数关系I(t)如下式所示：

式(2)中，σ_t为激光发射信号在时间维的均方根脉宽。

激光发射信号的时间分布模式是激光回波信号仿真的第一步，也是关系激光回波信号仿真可靠性的关键数据源。激光器发射信号的功率决定回波信号的能量强弱，激光脉宽也是确定激光测距性能的主要因素之一。考虑到激光器输出模式的不稳定性，还需要结合真实实验条件下激光的远场光斑精密测试数据，这既可以作为仿真模型的验证模板，还可以作为激光发射信号仿真的修正参数，对仿真模型的参数进行及时修正和补充。

(二)激光信号传输

激光信号传输过程中两次经过地球大气，对回波信号的影响主要包括大气的散射、大气折射弯曲以及大气传播延迟等。

研究发现大气的散射和吸收是导致激光在大气传输中能量衰减的主要成因之一。由于大气分子密度变化、气溶胶微粒及大气湍流运动会导致1064nm波段激光束发生散射效应，导致激光光束在传播方向的能量减弱，其光斑能量分布也会发生变化。大气散射的实质是电磁波和传播介质中电荷相互作用的结果。近红外波段因气体分子散射(瑞利散射)相对较弱，影响其光斑能量分布的是大气气溶胶粒子散射，即米氏散射。米氏散射的过程是由于许许多多紧靠在一起的的气溶胶粒子，其中复杂分子组成了多极子阵，当受到激光信号的激发后形成多极子状态，这些多极子态分子向外辐射次生电磁波信号并在远场区相互叠加，从而构成了激光的散射波。

假设激光信号光强为I₀，经大气散射后其光辐射照度I_S可表示为：

I_s＝I₀·F(β,R) (3)

式(3)中：F(β,R)为光束散射函数，其中β为激光波束在大气中的散射角，R为激光信号出射到被测目标的距离。

另外电磁波在大气层中传输时，由于在各层中的传播速度变化并在传播路径发生弯曲，称为大气折射效应。对于大气折射影响激光信号传播主要分为两个方面：大气传播延迟和天文大气折射，天文大气折射即蒙气差。

将大气层假定为等压分层模式，便可以得到激光在大气中传播发射折射弯曲量dR的角度值，如下式所示：

式(4)中，n₀为激光脚印点所在位置的大气折射率，W为大气层厚度；A是地球平均半径，计算模型中通常为6371km；z为激光入射角。

在信号传播过程中，大气对激光束光程的影响本质是由于传播介质的折射率不为1，并且大气垂直分布不均匀，这也使得单纯利用数学模型拟合大气分布存在困难。现阶段对大气中光的传播理论研究深入，已逐步揭示了其中的规律，在大气分布状态知晓的情况下，由于大气折射造成的激光测距延迟通过建模得到很好的补偿，在激光传输过程仿真中仅作为误差项参数传入激光回波波形数据仿真系统中。

(三)地表后向散射

激光信号入射到达地表的两种介质分界面时，如不考虑地物目标的吸收、散射等其他形式造成的能量损耗，那么入射信号的能量则只在反射光束和折射光束中进行重新分配，利用菲涅耳公式(见公式(5))，即可求解激光信号的能量分配量，如下式所示：

式(5)中，E_r和E_T分别为地表目标的反射率和透射率，且E_r+E_T＝1；Iⁱ为激光入射信号总能量，I^(r)和I^(T)分别表示激光反射能量和折射能量。

地物目标表面的粗糙程度对于激光信号反射光束的能量重分配十分重要，通常将激光发射光束相反方向的信号称之为后向散射。对于粗糙地表目标而言，激光在其表面发生后向散射就如同数学中的随机函数，这里可以将这类表面抽象为一个近似满足高斯分布函数的随机表面。由于地球表面经过长期的地壳运动、风化侵蚀以及雨水的冲刷，再加上植被覆盖和人类活动等因素的影响。因此可采用随机表面作为仿真数据输入。

随着粗糙面的电磁波散射理论在多个学科和工程领域得到广泛应用，粗糙表面散射问题的研究也日臻完善，其基本原理是：在一定边界条件下求解麦克斯韦方程的微分式和积分式，或者利用近似简化模型估算表面切向场，如基尔霍夫方法，从而便可以求出激光后向散射场。激光信号在粗糙地表发生单次散射后，由于地表起伏会发生多次散射，而其后向散射场则是多次散射后的能量叠加。由于多次散射后能量较弱，本发明中设置为粗糙地表散射次数最多为2次。

(四)激光信号响应

激光回波信号的响应是对之前仿真函数的加成，这里主要涉及激光回波能量的重分配和信号传播时间的离散化。

从整个仿真流程来看，激光脉冲信号传播时间发生变化主要由地表高程起伏引起的。在激光发射光束的同一个截面内，光斑内离散点的能量到达激光接收望远镜的时间存在差异，由此导致激光回波能量在时间维上的重组。首先将激光光束照射到地面目标的地形按照一定高度分辨率进行离散化分解，计算每个高度上激光的能量和对应激光传输时间，从而得到离散化的目标响应函数。

接下来通过对各个高度轮廓线内的激光光斑的强度值进行积分，便得到其对应时刻的激光回波能量E_i：

E_i＝∫∫η(x,y)I(x,y)dxdy,(i＝1,2,…,M-1) (6)

式(6)中，η和I分别表示轮廓线内地物目标的反射率和激光信号的能量强度值，(x,y)表示地物目标的坐标；M为高度轮廓线的分层个数，与激光回波信号采样频率相关；i表示高度轮廓线的层编号。

然后结合激光信号发射模型中参数，求解得到第i个高度轮廓层h_i对应的激光信号传播时间：

式(7)-(8)中，t_i为第i个高度轮廓层h_i对应的激光回波信号达到探测器的传播时间，r_i为第i个高度轮廓层h_i对应的激光回波信号发射点到被测目标的单程距离，c为真空中光速；R为激光器发射信号时到地表的高度值，也即激光信号出射到被测目标的距离；θ₀为发射激光光束相对地表平面的入射角。

按照激光信号接收望远镜的波形采样最小时间分辨率，将激光光束的传输时间进行离散化处理，同时对每个传输时间间隔内激光信号的能量进行重组合，便可获取地表目标反射模拟信号能量离散化后的响应函数。

接下来便是将激光回波模拟信号转换为激光测高仪的电脉冲回波信号。

(1)入射到探测器表面的光模拟信号，通过以下关系式转换成与时间t相关的电信号V_d：

式(9)中，η_d为探测器光子效率，G是探测器的增益系数，e为电子电量，R_L为负载电阻，hv₀为激光光子的能量，p_r(t)为激光探测器在时间维上探测的模拟信号变化强度。

(2)从探测器输出电压信号进入低通滤波器，其滤波过程是将超过设定临界值的高频信号进行阻隔和减弱，经过滤波器的输出的脉冲电信号V_s(t)可表示成：

V_s(t)＝h_f(t)*V_d(t) (10)

式(10)中，h_f(t)为低通滤波器的脉冲响应函数。

根据星载激光测高仪接收脉冲回波的理论模型可知，其回波形态受到多种因素的影响，因此，无法采用数学解析形式来进行表示，采用仿真手段进行星载激光回波信号的模拟。

下面将结合上述理论提供本发明的具体实施方式。

本发明针对星地一体化的激光雷达回波仿真方法展开，其实施主方式要分为以下四个步骤：星载激光雷达发射信号的仿真方法，以卫星的运行状态为出发点，模拟卫星不同状态下激光器发射的信号数据；激光信号传输的仿真方法，以地球大气参数为模型的输入数据，仿真激光信号受到大气影响而产生的不同效应；激光信号地表反射仿真方法，针对不同地表地物类型，采用漫反射体特性仿真经地表后向散射后的激光信号；激光雷达信号响应仿真方法，仿真激光信号经过地表发射后，再次与大气层作用后到达激光接受望远镜，经过空间二维积分和时间维的离散采样，得到经过的回波波形数据。

在本发明中，以卫星平台的运行状态为着手点，基于卫星轨道和姿态仿真数据，通过设定激光器参数，共同对激光发射的信号进行约束和仿真，并结合特定的地表地物和大气参数实现了激光波形和能量分布的仿真。因此星地一体化的激光雷达波形仿真技术方案具有单一性，在本发明中要求保护。具体实施时可采用计算机程序完成，以下结合实施例和附图1～4提供详细说明本发明技术方案。

实施例1

本实施例将提供星载激光雷达发射信号的仿真方法，其流程参见图1，具体步骤如下：

步骤1.1，生成卫星平台运行状态数据。

根据卫星平台所涉及的各种坐标系，进行坐标系之间的相互转换，完成激光器测量坐标到WGS84坐标之间的变换。转换中涉及的坐标系有激光器测量坐标系、卫星本体坐标系、轨道坐标系、WGS84坐标系、J2000惯性坐标系等。

根据轨道动力学方程模拟卫星平台的运行轨迹，利用设定参数离散化得到无误差的卫星轨道测量数据。

根据姿态稳定度指标及颤振模型模拟轨道坐标系和本体坐标系、J2000坐标系和本体坐标系等之间三轴欧拉角，得到模拟的无误差状态下的姿态测量数据。

在卫星运行过程中需要考虑各类误差，主要分为轨道震颤误差、GPS测量误差等、设备安装误差、测不准误差、测不出误差以及输不出误差等。各误差项采用高斯白噪声的模拟随机数来生成。随机数发生器分成以下两类：一类是软件控制的随机数发生器，由某种算法生成，即伪随机数发生器；另一类是硬件随机数发生器，如噪声随机数发生器，能生成真正的随机数据流。

步骤1.2，激光载荷仿真参数设定。

对于激光载荷的参数设定包括：激光器发射信号的脉冲宽度，即激光信号80％能量集中出射的时间，通常设定为5～10ns；激光发射波强度，描述激光入射波信号的能量峰值，也可模拟使用数字化仪采样得到的信号电压值表示；激光扩束发散角，指激光出射信号经过扩束望远镜后，激光光束的发散角，用于解算激光到达地表的光斑形状和大小；激光器发射频率，根据不同载荷设计激光发射频率；噪声分为信号噪声和背景白噪声，主要由于仪器设备引起和太阳光的干扰；信号出射延迟，激光器发射信号的系统时延和随机时延；光斑中心偏移则是由于激光器硬件自身的特性引起的随机偏移量，但是该项误差可以通过足印相机记录。

步骤1.3，激光发射波信号模拟。

对于激光测距或者单元扫描成像激光雷达系统而言,信号输出是光强度随时间变化的一维时间信号。激光雷达测距统计特性、测距精度、探测概率与虚警率等参数都直接依赖于激光脉冲回波的时间特征。

关于激光脉冲的时间函数有多种描述方法，一般假设激光脉冲的时间波形服从高斯函数的形式。该函数能够很好的描述脉冲回波的时间函数特征和拖尾现象，但是不能反应激光脉冲的上升沿陆下降沿缓的特征；为了反应脉冲上升沿和下降沿的特征常将激光脉冲的时间波形模型化为倒置抛物线函数，该数值模型在高信噪比时能准确地反应激光脉冲特征，但是不能反映激光脉冲的拖尾特征。本发明主要采用重尾函数f(t)来描述激光发射波信号，该函数能够准确的描述激光脉冲陆峭的上升沿和相对较缓的下降沿的特征，函数表达式如下：

式(11)中，a为激光脉冲信号的峰值，τ为激光脉冲的脉冲宽度，t表示时间维。

实施例2

本实施例提供激光信号传输过程中与大气层作用的仿真方法，其流程参见附图2。

星载激光测高仪发射的激光脉冲必须要经过地球的大气，包围着地球表面的电子、离子还有气体分子等组成的空间，就是大气层，按照离地面的高度以及物理特性，大致上可以将大气层分为4层，即：1)对流层：从地面算起到11km左右的高空；2)平流层：对流层顶端到大约60km左右的高空；3)电离层：从60km左右到大约2000km左右的高空；4)磁层：从2000km左右到几万甚至几十万公里的高空。由于地球的引力作用，大气的质量在垂直方向上的分布非常的不均匀，大部分的大气质量是集中在大气层底部，其中75％是分布在10km以下，而90％以上是分布在30km以下。根据大气层对无线电波的传播的不同影响，可将其分为电离层和中性大气。本发明中激光传输过程仿真方法主要考虑对流层大气的影响，分为以下三个步骤对此过程进行仿真。

步骤2.1，激光信号的大气折射弯曲效应。

在信号传输过程中，大气对激光束光程的影响本质是由于传播介质的折射率不为1，并且大气垂直分布不均匀，大量的统计表明，大气折射率在垂直方向上的变化要比水平方向上的变化要大1～3个数量级。在研究大气折射对激光脉冲的影响时，本发明将大气折射率差简化为随高度h变化的量，即N＝N(h)。因为N(h)具有比较确定的统计特性，一般可以给出N(h)的平均分布模式。大气折射模型主要基于以下模型：

n₁·sinθ₁＝n₂·sinθ₂ (12)

式(12)中，n₁和n₂分别为两种介质中的折射率，θ₁和θ₂分别为光线的入射角和折射角。

在这些大气折射率模型中，指数模型和伽马模型是一种较有代表性的大气折射率模型。为了方便计算，将大气折射率n用大气折射率模数N随高度h的变化表达式N(h)：

n＝1+10⁶N(h) (13)

通常情况下，大气折射率模数随着高度的增加按照指数规律下降，可以用指数模型

或者伽马模型

进行拟合，a₁、a₂、a₃为待定参数，h为海拔高度，N₀为地面折射率，H_N为大气折射率标高。

当高度h＝0时无法得到正确的折射率模数，主要因为1km高度以下，折射率模式基本上满足线性关系，因此采用分段模型来表达大气折射率，即在高度小于1km时采用线性模型，即：

式(14)中，k为入射光线相对水平面的斜率，N₀为地面折射率。

步骤2.2，激光信号传播的大气延迟效应。

激光在大气传输过程中，由于大气折射的影响很大程度上限制了激光测高系统的观测精度，激光在大气中传输的路径与真空中的直线传播存在差异。

大气对激光测距的影响主要包括大气延迟和大气折射，而影响激光测距的最主要因素是大气延迟。大气延迟改正主要是为了消除激光在对流层中传递的过程中由于大气的折射导致的测距延迟误差。设电磁波信号在大气中的传播速度v，折射率n与真空中光速c有v＝c/n的关系，由此可知信号的传播时间为：T＝1/c∫nds。那么信号经大气折射与真空中传播所产生的距离延迟值ΔL为：

ΔL＝∫_{S_atm}ndR-∫_{S_vac}dR (I5)

式(15)中∫_{S_atm}ndR表示信号在大气中传播路径上的距离积分，∫_{S_vac}dR表示信号在真空中传播路径上的距离积分。大气延迟改正模型表示为天顶延迟和与高度角有相关映射函数的乘积，如下式所示：

式(16)中，m(ε)是与入射角ε相关的映射函数，n为天顶方向大气折射率。天顶方向的大气折射延迟可以用大气折射率沿传输路径的积分来表示：

其中n(z)为沿传输路径上的大气折射率，spot表示地面激光点的位置。

步骤2.3，激光信号在大气层中的散射效应。

激光在大气中传输时，由于大气分子和气溶胶粒子与激光的相互作用会引起一系列的效应。激光大气传输效应主要包括：大气分子、气溶胶的吸收、散射造成的辐射能量衰减；大气折射率随机起伏造成的光束的强度起伏(闪烁)、漂移扩展以及相干性破坏等；强激光在大气中传输的非线性光学效应。在激光测高仪接收脉冲回波信号模型建立过程中，仅考虑大气衰减对激光能量的影响。

激光在大气中传播时，一部分光能量被吸收而转变为其他形式的能量，一部分能量被散射而偏离原来的传播方向，吸收和散射的总效果使传输光能量出现衰减。波长为λ、强度为I的激光脉冲，在大气中传输距离L后，其强度按指数衰减为I₀：

式(17)中，μ(R)称为传输路径R上的衰减系数，表示单位强度的辐射经过单位距离传输后的减少量。实际应用中，衰减系数用(km^-1)作单位。

与衰减系数相关的另一个量就是大气透过率，表示激光通过某段大气路径后，能透过的辐射量占入射总辐射量的比例，用η_a表示：

大气的总衰减系数主要由大气分子和气溶胶的衰减系数组成，表示为下式：

μ＝K_m+σ_m+K_p+σ_p (19)

式(19)中，K_m和σ_m分别表示大气分子的吸收和散射系数；K_p和σ_p分别表示大气气溶胶的吸收和散射系数。

实施例3

本实施例提供激光信号经地表地物反射过程的仿真方法，参见附图3，具体步骤如下：

步骤3.1，生成激光光斑在地物目标的分布。

根据星载激光测高仪的测量过程，建立目标参考坐标系和瞬时测量坐标系。以激光束中心与目标的交点为坐标原点，以星载激光测高仪的飞行轨迹方向作为x轴方向，以天顶方向作为z轴方向，y轴方向根据右手螺旋法则确定，称xyz坐标系为目标参考坐标系；以激光束中心心方向作为z′轴方向，y′轴与y轴重合，x′轴同样根据右手螺旋法则确定，称x′y′z′坐标系为瞬时测量坐标系。再结合卫星的轨道和姿态信息，计算激光点在地面的地理坐标，并根据激光的入射状态来确定光斑的能力分布。

步骤3.2，离散化地表目标的高程分布信息。

激光器的一个重要参数是传输模式，也就是激光束内的空间分布。激光测高仪所使用的激光器通常采用高斯函数来描述：

式(20)中，d＝r tan(θ_t)，d表示地面光斑大小；θ_t是中心能量为e^-1/2位置处的激光发散半角；r是光斑内的点到光斑中心的距离；I(r)表示距离r处的信号强度。

在激光光束坐标系下，定义椭圆高斯足印在长轴和短轴方向上的发散角分别为θ₁和θ₂，则椭圆高斯足印光斑在空间维(x,y)的分布I(x,y,θ₁,θ₂)可以表示为：

步骤3.3，地表目标的信号发射率计算。

根据朗伯体定律，一个理想漫反射物体表面上反射出来的漫反射光的强度同入射光与物体表面法向量之间的夹角的余弦成正比，即：

I＝I₀κcos i (22)

式(22)中，I为在被照射点处的漫反射光的光强度，I₀是垂直入射到物体表面的光强度，i为入射光与物体表面法向量之间的夹角，κ为目标的光学反射率。

步骤3.4，模拟计算目标反射激光信号的空间分布信息。

通常情况下，目标的空间分布是在目标参考坐标系下给出的，假定其目标空间分布为h(ρ)，表面反射率为β(ρ)，则在瞬时测量坐标系下的目标空间分布h′和反射率分布β′为：

h′(ρ′)＝x′tanφ+h(ρ)/cosφ；β′(ρ′)＝β(ρ)·cosα(ρ′) (23)

式(23)中，φ为激光测高仪的观测角，ρ’＝(x’,y’)表示瞬时测量坐标系下的平面坐标，α(ρ’)表示激光束光轴与目标法线所夹的角度。

实施例4

本实施例提供激光雷达对回波信号响应过程的仿真方法，参见附图4，具体为：

当激光发射光束经地表反射之后，光斑内离散点的能量到达激光接收望远镜的时间存在差异，由此导致激光回波能量在时间维上的重组。激光回波信号在时间维度是连续的，而激光测高仪接收波形则受到数字采样仪的限制，仅能按照一定的采样频率记录回波信号。将激光回波信号到达接受望远镜镜头的时间进行离散化分解，并将每个时间段内各光斑离散点的回波能量集成，从而得到激光回波信号仿真波形数据。

Claims (9)

1.星地一体化激光雷达回波波形仿真方法，其特征是，包括：

(1)以卫星的运行状态为出发点，模拟卫星不同运行状态下激光器发射的信号数据；

(2)以地球大气参数为输入数据，仿真步骤(1)所模拟信号受到大气影响而产生的不同效应；

(3)针对不同地表地物类型，采用漫反射体特性仿真经地表后向散射后的激光信号；

(4)仿真后向散射后的激光信号再次与大气层作用后到达激光接受望远镜，经空间二维积分和时间维的离散采样，得到经过的回波波形数据。

2.如权利要求1所述的星地一体化激光雷达回波波形仿真方法，其特征是：

步骤(1)进一步包括：

1.1根据卫星平台所涉及的坐标系，进行坐标系之间的相互转换；根据轨道动力学方程模拟卫星平台的运行轨迹，利用设定参数离散化得到无误差的卫星轨道测量数据；根据姿态稳定度指标及颤振模型模拟无误差状态下的姿态测量数据；

1.2设定激光载荷的仿真参数，包括激光器发射信号的脉冲宽度，激光发射波强度，激光扩束发散角，激光光束的发散角，激光器发射频率，噪声，信号出射延迟，光斑中心偏移；

1.3模拟激光发射波信号。

3.如权利要求1所述的星地一体化激光雷达回波波形仿真方法，其特征是：

子步骤1.3中，采用重尾函数f(t)模拟激光发射波信号：

其中，a为激光脉冲信号的峰值，τ为激光脉冲的脉冲宽度，t表示时间维。

4.如权利要求1所述的星地一体化激光雷达回波波形仿真方法，其特征是：

步骤(2)进一步包括：

2.1采用模型

模拟激光发射波信号的大气折射弯曲效应，N(h)表示大气折射率差随高度h变化的量，h为海拔高度，N₀为地面折射率，k为直线斜率，a、b、c为待定参数；

2.2对激光发射波信号传输过程进行大气延迟改正；

2.3对激光发射波信号传输过程中的散射效应进行模拟。

5.如权利要求1所述的星地一体化激光雷达回波波形仿真方法，其特征是：

步骤(3)进一步包括：

3.1模拟生成激光光斑在地物目标的分布；

3.2离散化地表目标的高程分布信息；

3.3基于朗伯体定律计算地表目标的信号发射率；

3.4模拟目标反射激光信号的空间分布信息，假定目标空间分布为h(ρ)，表面反射率为β(ρ)，则在瞬时测量坐标系下的目标空间分布h′和反射率分布β′为：

h′(ρ′)＝x′tanφ+h(ρ)/cosφ；β′(ρ′)＝β(ρ)·cosα(ρ′)；

其中，φ为激光测高仪的观测角，ρ′＝(x′,y′)表示瞬时测量坐标系下的平面坐标，α(ρ′)表示激光束光轴与目标法线所夹的角度。

6.如权利要求5所述的星地一体化激光雷达回波波形仿真方法，其特征是：

子步骤3.1具体为：

根据星载激光测高仪的测量过程，建立目标参考坐标系和瞬时测量坐标系；

以激光束中心与目标的交点为坐标原点，以星载激光测高仪的飞行轨迹方向作为x轴方向，以天顶方向作为z轴方向，y轴方向根据右手螺旋法则确定，称xyz坐标系为目标参考坐标系；

以激光束中心心方向作为z′轴方向，y′轴与y轴重合，x′轴同样根据右手螺旋法则确定，称x′y′z′坐标系为瞬时测量坐标系；

再结合卫星的轨道和姿态信息，计算激光点在地面的地理坐标，并根据激光的入射状态来确定光斑的能力分布。

7.如权利要求5所述的星地一体化激光雷达回波波形仿真方法，其特征是：

子步骤3.2具体为：

在激光光束坐标系下，定义椭圆高斯足印在长轴和短轴方向上的发散角分别为θ₁和θ₂，则椭圆高斯足印光斑在空间维(x,y)的分布I(x,y,θ₁,θ₂)为：

8.如权利要求1所述的星地一体化激光雷达回波波形仿真方法，其特征是：

步骤(4)具体为：

将激光回波信号到达接受望远镜镜头的时间进行离散化分解，并将每个时间段内各光斑离散点的回波能量集成，从而得到激光回波信号仿真波形数据。

9.星地一体化激光雷达回波波形仿真系统，其特征是，包括：

第一模块，用来以卫星的运行状态为出发点，模拟卫星不同运行状态下激光器发射的信号数据；

第一模块，用来以地球大气参数为输入数据，仿真步骤(1)所模拟信号受到大气影响而产生的不同效应；

第一模块，用来针对不同地表地物类型，采用漫反射体特性仿真经地表后向散射后的激光信号；

第一模块，用来仿真后向散射后的激光信号再次与大气层作用后到达激光接受望远镜，经空间二维积分和时间维的离散采样，得到经过的回波波形数据。

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