CN114624671A - 一种星载激光测高饱和波形信号特征恢复方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种星载激光测高饱和波形信号特征恢复方法。该方法通过星载激光测高仪高低增益通道之间的几何特性一致性关系，构建了饱和补偿模型，所述方法包括以下步骤：对激光测高全波形数据进行波形分解，获取单波峰回波数据；提取激光波形特征参数，所述的波形特征参数包括峰值时间、峰值强度；利用星载激光测高仪高低增益通道之间的激光测距时间一致性和波形特征一致性，构建激光波形补偿模型；通过激光波形补偿模型对饱和波形进行激光脉冲飞行时延补偿和峰值强度补偿，进而恢复激光饱和波形的能量特性和几何测量精度。与现有技术相比，本发明基于卫星激光测高仪具有独立双通道的结构特点进行饱和波形信号特征恢复，可极大改善饱和状态激光测量波形数据的可用性和激光测距的精度。

Description

一种星载激光测高饱和波形信号特征恢复方法

技术领域

本发明涉及星载激光测高技术领域，尤其涉及一种星载激光测高饱和波形信号特征恢复方法。

背景技术

星载激光测高是一种新型的主动遥感探测技术，能够精确、快速获取地表三维空间信息，为高程控制点获取以及立体测图提供服务。该技术利用卫星平台搭载的激光测高仪向地面发射激光脉冲，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。2003年，美国国家航空航天局（NASA）发射的ICESat卫星搭载了首个对地观测激光测高系统GLAS，相关研究在极地冰盖高程测量、海冰厚度变化监测、森林生物量估算、全球高程控制点获取等方面发挥了重要应用。激光测高在三维空间探测中的独特优势，使其展现出了更突出的发展潜力和应用前景。因此，为提升自身空间激光探测的能力，中国在2016年发射了资源三号02星，卫星搭载了国内首台对地激光测试载荷，并成功获取了激光测高数据。2019年，高分七号（GF-7）卫星成功发射，相较于资源三号 02 星，GF-7卫星平台搭载了全波形记录的激光测高仪。

星载激光测高仪探测器的电子电路中，所有信号放大器的线性动态范围都是有限的。当天气晴朗、表面反射率高等高信号条件下，回波脉冲的峰值功率将超过接收器的线性动态范围，导致信号饱和，回波波形将表现出峰值削波和脉冲展宽。继续采用基于线性接收器的方法处理激光饱和波形，解算得到的测距信息会导致更长的激光脉冲飞行时间，进而影响测距精度。由于仪器设备自身及外部测量环境的影响，激光接收系统探测到的信号中可能经常存在饱和，如果在数据处理过程中选择舍弃，不仅会丢失一些有用信息，还会降低数据可用性，增加工作量和成本，因此激光测高饱和波形的数据处理在后续研究应用中具有重要意义。

发明内容

为了有效解决激光饱和波形问题，本发明提供一种星载激光测高饱和波形信号特征恢复方法。该方法能够有效提高激光测高精度和恢复饱和波形信号特征，为后续数据处理及应用提供高质量的基础数据。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

步骤S1：对激光测高全波形数据进行波形分解，获取单波峰回波数据；

步骤S2：提取激光波形特征参数，所述的波形特征参数包括峰值时间、峰值强度；

步骤S3：利用星载激光测高仪高低增益通道之间的激光测距时间一致性和波形特征一致性，构建激光波形补偿模型；

步骤S4：通过激光波形补偿模型对饱和波形进行激光脉冲飞行时延补偿和峰值强度补偿，进而恢复激光饱和波形的能量特性和几何测量精度。

进一步地，所述步骤S2具体包括以下步骤：

S21：采用阈值去噪的方法对激光波形数据预处理，筛选出有效波形；

S22：利用最小二乘法迭代对有效波形进行高斯拟合，提取峰值时间和峰值强度参数。

进一步地，所述步骤S3具体包括以下步骤：

S31：对激光测高全波形数据进行筛选，一组数据在高低增益两个通道均未出现饱和现象；另一组数据在高增益通道存在饱和现象，低增益通道未出现饱和；

S32：将从高低增益均未出现饱和信号数据中提取的峰值时间参数进行线性回归模型拟合，以保证卫星激光测高仪双增益通道测距的一致性；

S33：筛选具有不同饱和度的激光测高全波形数据，利用高低增益峰值时间参数构建激光信号测距时间偏差改正模型；

S34：根据高低增益均未出现饱和信号的数据提取峰值强度参数，用于构建波形强度回归模型。

进一步地，所述步骤S4具体包括以下步骤：

S41：利用激光信号测距时间偏差改正模型解算不同饱和度激光信号接收时间的偏差补偿参数，然后在其高斯拟合解算的回波接收时间基础上加上该补偿参数，即可修正饱和波形的回波接收时间；

S42：根据峰值强度回归模型，利用饱和波形对应的低增益回波峰值强度计算高增益的回波峰值强度；

S43：将激光信号测距时间偏差改正模型和峰值强度回归模型联立，根据饱和补偿结果恢复激光饱和波形的能量特性和几何测量精度。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明基于卫星激光测高仪具有独立的双通道的结构特点，提出了一种星载激光测高饱和波形信号特征恢复方法，该方法不需要增加额外的硬件设施，就可以恢复饱和波形能量特性和几何精度。

本发明可极大改善饱和状态激光测量波形数据的可用性，为后续应用提供保障。

附图说明

图1是饱和波形示意图；

图2是本发明星载激光测高饱和波形信号特征恢复方法的流程示意图；

图3是本发明中脉冲飞行时延补偿的流程示意图；

图4是基于GF-7数据利用本发明方法对不同饱和度的激光波形进行信号恢复的实验对比图，其中，黑色实线为高增益饱和波形，蓝色实线为饱和波形对应的低增益波形，红色实线为饱和补偿后的高增益波形。

具体实施方式

为了更加清晰完整地描述本发明的目的、技术方案和技术效果，以下将结合附图和具体的实施例对本发明进行详细阐述。本实例是按照本发明技术方案进行实施，所述实施方式和具体操作过程只是为了方便理解，而非限定本发明，本发明的保护范围仍由所附的权利要求书所限定。

实施例1

针对遥感数据中激光波形信号饱和问题，本实施例根据卫星激光测高仪具有独立的双通道的结构特点，提出了一种星载激光测高饱和波形信号特征恢复方法。

卫星在轨运行后，随着激光发射能量、环境条件和表面反射率的变化，返回脉冲的峰值功率有时会超出激光测高仪接收器的线性动态范围，导致信号出现饱和，而这种由于接收器动态范围不足而导致的“削顶”现象，即信号峰值被探测器截断而出现连续的电压值相同（三个或三个以上），被称之为“信号饱和”，如附图1所示。

参照附图2，本实施例一种星载激光测高饱和波形信号特征恢复方法，包括以下步骤：收集含有饱和波形信号的同波束星载激光测高全波形数据；提取激光波形特征参数，所述的波形特征参数包括峰值时间、峰值强度；利用星载激光测高仪高低增益通道之间的激光测距时间一致性和波形特征一致性，构建激光波形补偿模型；通过激光波形补偿模型对饱和波形进行激光脉冲飞行时延补偿和峰值强度补偿，进而恢复激光饱和波形的能量特性和几何测量精度。

下面对本实施例一种星载激光测高饱和波形信号特征恢复方法进行详细介绍：

步骤S1：对激光测高全波形数据进行波形分解，获取单波峰回波数据。

步骤S2：提取激光波形特征参数，所述的波形特征参数包括峰值时间、峰值强度。

S21：由于仪器设备自身及测量环境的影响，激光接收系统探测到的信号中会存在一定的噪声，采用阈值去噪对星载激光原始波形数据进行预处理，可以筛选出有效波形，即利用首尾各N个采样值（N≥50）的平均值和均方差来估算背景噪声的阈值，大于背景噪声阈值的采样点数据为有效数据。背景噪声均值

与噪声均方差

的计算公式如下所示：

S22：针对激光测高单波峰回波信号可采用如下高斯分布函数表示：

利用最小二乘法迭代对有效波形进行高斯拟合，提取峰值时间和峰值强度参数。

步骤S3：利用星载激光测高仪高低增益通道之间的激光测距时间一致性和波形特征一致性，构建激光波形补偿模型。

S31：对激光测高全波形数据进行筛选，一组数据在高低增益两个通道均未出现饱和现象；另一组数据在高增益通道存在饱和现象，低增益通道未出现饱和；

S32：将从高低增益均未出现饱和信号数据中提取的峰值时间参数进行线性回归模型拟合，以保证卫星激光测高仪双增益通道测距的一致性；

S33：筛选具有不同饱和度的激光测高全波形数据，利用高低增益峰值时间参数构建激光信号测距时间偏差改正模型，方法流程如附图3所示；

所述步骤S33包括以下步骤：

S331：计算不同饱和度的激光波形所对应的低增益通道激光脉冲飞行时间；并将其作为高增益饱和波形的激光脉冲飞行时间；

S332：利用高增益饱和波形的激光脉冲飞行时间和其发射波的峰值时间参数，即可计算高增益饱和回波的峰值时间参数；

S333：分别统计由饱和波形对应的低增益峰值时间参数和高增益发射波时间参数解算的回波信号接收时间以及饱和波形直接进行高斯拟合解算的回波信号接收时间，二者进行差值比较，建立偏差值与饱和度之间的函数关系模型，即激光信号不同饱和度的测距时间偏差改正模型，该模型具体表示如下：

S34：根据高低增益均未出现饱和信号的数据提取峰值强度参数，用于构建波形强度回归模型。

由于双增益通道获取同一脉冲的测距信息，那么高低增益获取的脉冲飞行时间（TOF）相等，在高低增益采集波形没有饱和状态下，数字化仪采集的波形在线性有效量化范围内，两通道的波形峰值应该符合线性相关。采用同一激光束高低增益均不饱和数据进行高斯拟合，然后对高斯拟合得到的回波峰值参数做回归分析，建立如下所示线性回归模型：

步骤S4：通过激光波形补偿模型对饱和波形进行激光脉冲飞行时延补偿和峰值强度补偿，进而恢复激光饱和波形的能量特性和几何测量精度。

S41：利用激光信号测距时间偏差改正模型解算不同饱和度激光信号接收时间的偏差补偿参数，然后在其高斯拟合解算的回波接收时间基础上加上该补偿参数，即可修正饱和波形的回波接收时间；

S42：根据峰值强度回归模型，利用饱和波形对应的低增益回波峰值强度计算高增益的回波峰值强度；

S43：将激光信号接收时间偏差模型和峰值强度回归模型联立，根据饱和补偿结果恢复激光饱和波形的能量特性和几何测量精度。

附图4为本方法基于GF-7号卫星的载荷特点（激光测高仪具有独立的双通道）对星载激光测高饱和波形信号特征恢复的部分实验结果，由此可见，该方法可有效恢复饱和波形信号特征，且有效提升饱和数据的测距精度。

以上所述实施例仅为本发明的较佳具体实例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种星载激光测高饱和波形信号特征恢复方法，该方法通过星载激光测高仪高低增益通道之间的几何特性一致性关系，构建了饱和补偿模型，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤S1：对激光测高全波形数据进行波形分解，获取单波峰回波数据；

步骤S2：提取激光波形特征参数，所述的波形特征参数包括峰值时间、峰值强度；

步骤S3：利用星载激光测高仪高低增益通道之间的激光测距时间一致性和波形特征一致性，构建激光波形补偿模型；

步骤S4：通过激光波形补偿模型对饱和波形进行激光脉冲飞行时延补偿和峰值强度补偿，进而恢复激光饱和波形的能量特性和几何测量精度。

2.根据权利要求1所述的一种星载激光测高饱和波形信号特征恢复方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括以下步骤：

S21：采用阈值去噪的方法对激光波形数据预处理，筛选出有效波形，即利用首尾各N个采样值（N≥50）的平均值和均方差来估算背景噪声的阈值，大于背景噪声阈值的采样点数据为有效数据；

S22：针对激光测高单波峰回波信号可采用如下高斯分布函数表示：

利用最小二乘法迭代对有效波形进行高斯拟合，提取峰值时间和峰值强度参数。

3.根据权利要求1所述的一种星载激光测高饱和波形信号特征恢复方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括以下步骤：

S31：对激光测高全波形数据进行筛选，一组数据在高低增益两个通道均未出现饱和现象；另一组数据在高增益通道存在饱和现象，低增益通道未出现饱和；

S32：将从高低增益均未出现饱和信号数据中提取的峰值时间参数进行线性回归模型拟合，以保证卫星激光测高仪双增益通道几何特性的一致性；

S33：筛选具有不同饱和度的激光测高全波形数据，利用高低增益峰值时间参数构建激光信号测距时间偏差改正模型；

所述步骤S33包括以下步骤：

S331：计算不同饱和度的激光波形所对应的低增益通道激光脉冲飞行时间；并将其作为高增益饱和波形的激光脉冲飞行时间；

S332：利用高增益饱和波形的激光脉冲飞行时间和其发射波的峰值时间参数，即可计算高增益饱和回波的峰值时间参数；

S333：分别统计由饱和波形对应的低增益峰值时间参数和高增益发射波时间参数解算的回波信号接收时间以及饱和波形直接进行高斯拟合解算的回波信号接收时间，二者进行差值比较，建立偏差值与饱和度之间的函数关系模型，即激光信号不同饱和度的测距时间偏差改正模型；

S34：根据高低增益均未出现饱和信号的数据提取峰值强度参数，用于构建波形强度回归模型。

4.根据权利要求1所述的一种星载激光测高饱和波形信号特征恢复方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括以下步骤：

S41：利用激光信号测距时间偏差改正模型解算不同饱和度激光信号接收时间的偏差补偿参数，然后在其高斯拟合解算的回波接收时间基础上加上该补偿参数，即可修正饱和波形的回波接收时间；

S42：根据峰值强度回归模型，利用饱和波形对应的低增益回波峰值强度计算高增益的回波峰值强度；

S43：将激光信号测距时间偏差改正模型和峰值强度回归模型联立，根据饱和补偿结果恢复激光饱和波形的能量特性和几何测量精度。

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