CN114966613B - 基于波匹配的星载激光测高仪山区脚点定位方法及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于波匹配的星载激光测高仪山区脚点定位方法及设备。所述方法包括：步骤1至步骤9。本发明通过少数脚点的位置，解算系统参数，并外推计算更多激光脚点的位置，提升了激光脚点的水平和高程精度，针对小光斑星载激光测高仪，有效解决地面特征不足，波形匹配方法不适用的问题。获取地面脚点真值的位置不受时空约束，在境内外山地地区开展，有效的弥补了激光脚点山地数据和境外数据的不足，提升了国内星载激光测高仪在全球尺度的激光数据精度。

Description

基于波匹配的星载激光测高仪山区脚点定位方法及设备
技术领域
本发明实施例涉及激光脚点定位技术领域，尤其涉及一种基于波匹配的星载激光测高仪山区脚点定位方法及设备。
背景技术
星载激光测高仪(Spaceborne Laser Altimeter,SLA)是一种主动卫星遥感测量设备，被广泛地应用于地理测绘、水文监测、冰川监测和植被生物量监测等领域。近年来，随着激光测高技术的不断发展，即将发射的陆地生态系统碳卫星搭载了具备全波形记录功能的激光测高仪，采用布设探测器获取脚点真值以解决脚点位置问题。波形匹配可用于获取地面脚点位置，由波形匹配结果确定地面脚点位置的效果很大程度上依赖于地形特征。相关方法未涉及小光斑星载激光测高仪地面脚点波形匹配定位方法研究，未能解决因为地表光斑内地物特征不足，导致小光斑星载激光测高仪的仿真波形与实测波形无法匹配的问题。同时国内采用布设探测器的光斑定位方法，仅能在国内和平原地区开展，缺乏在境外和山地的地面光斑位置信息。因此，开发一种基于波匹配的星载激光测高仪山区脚点定位方法及设备，可以有效克服上述相关技术中的缺陷，就成为业界亟待解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明实施例提供了一种基于波匹配的星载激光测高仪山区脚点定位方法及设备。
第一方面，本发明的实施例提供了一种基于波匹配的星载激光测高仪山区脚点定位方法，包括：步骤1：根据卫星和激光载荷的实测数据、系数参数、激光脚点初始平面位置附近的高精度DSM，获取不同位置的仿真回波波形Sk(i,j)；步骤2：不同位置仿真回波波形Sk(i,j)与激光载荷实测回波波形计算相关系数Mk(i,j)；步骤3：重复步骤1至步骤2，直到完全遍历第k个激光脚点对应的nxn格网DSM中所有网格节，得到当前激光脚点的相关系数矩阵Mk；步骤4：重复步骤1至步骤3，直到完全遍历当前轨道所有m个激光有效脚点，得到最终相关系数矩阵和Mall；步骤5：求解Mall中极大值网格点的水平位置，获取最大值位置与激光脚点初始位置的水平偏移；步骤6：该偏移为最佳匹配激光脚点水平位置与激光脚点初始位置的系统偏移，结合m个激光脚点初始位置，最终得到m个最佳波形匹配激光脚点的水平位置；步骤7：从高精度DSM中依次获取平面校正后m个激光脚点水平位置处的高程结果，作为每个激光脚点波形匹配后的高程坐标，最终得到m个激光脚点的三维坐标；步骤8：将激光脚点三维坐标代入已有的在轨标定模型，解算星载激光测高仪激光指向角与测距改正值，该步骤中代入在轨标定模型中的激光脚点三维坐标的数量一般不少于15个，以获得准确的测距改正值；步骤9：将步骤7中的激光指向角与测距改正值代入已有的脚点定位模型中，重新计算弧段内乃至整轨激光脚点坐标。
在上述方法实施例内容的基础上，本发明实施例中提供的基于波匹配的星载激光测高仪山区脚点定位方法，步骤1具体包括：生成n行n列的DSM每条轨道中有效激光脚点总个数为m，(i,j)表示激光脚点在平面上相对于初始激光脚点的偏移量，i对应x方向，j对应y方向，初始激光脚点位置为(0,0)，i和j的取值范围为[-128，128]，i和j计算初值均从-128开始，剔除折射、前向散射和湍流效应的影响，模拟星载激光测高仪的发射脉冲激光经过衍射后达到地面，并被地物目标反射，反射激光再次经过衍射后被卫星接收系统接收全过程，激光脉冲达到地面的能量S1(t)：
其中，d是星载激光测高仪与地面目标的距离，η1为发射系统效率，(x,y)是地表平面坐标,|a(x,y)|2是发射激光空间能量分布，Ta是单程大气透过率，f(t)是入射激光脉冲的时间分布，ψ(x,y)是由地表起伏和激光脚点水平分布引起的时延，表示为：
ξ(x,y)是(x,y)处的地表高程，c是真空中光速，地表反射激光脉冲再次经过大气衍射到达星载激光测高仪接收系统后的接收信号S2(t)用下式表示：
其中，η2为接收系统效率，g(x,y)是地面目标在1064nm波段相对反射率分布函数，AR是接收系统有效孔径面积，激光回波信号经过雪崩光电二极管后，激光回波信号S(t)用下式表示：
其中，hv是光子能量，η是收发系统的综合效率，包含星载激光测高仪收发系统效率、APD光电转换效率。
在上述方法实施例内容的基础上，本发明实施例中提供的基于波匹配的星载激光测高仪山区脚点定位方法，步骤2具体包括：以相关系数作为仿真波形与实测波形相似程度的判据，相关系数越大，表明仿真波形与实测波形越相似，该位置是激光脚点实际落点的概率也越高，相关系数方式计算包括：
其中，R'(t)为归一化实测波形，S'(t)为归一化仿真波形，σ为对应统计标准差，ρ为两个波形的相关系数，S'(t)的长度需与R'(t)的长度相同。
在上述方法实施例内容的基础上，本发明实施例中提供的基于波匹配的星载激光测高仪山区脚点定位方法，步骤5具体对每一个脚点的相关系数矩阵进行叠加，获取具有明显极值区域的相关系数叠加图。
在上述方法实施例内容的基础上，本发明实施例中提供的基于波匹配的星载激光测高仪山区脚点定位方法，步骤8中将脚点三维坐标代入在轨标定模型解算星载激光测高仪激光指向角与测距改正值。
在上述方法实施例内容的基础上，本发明实施例中提供的基于波匹配的星载激光测高仪山区脚点定位方法，步骤9具体包括将激光指向角与测距改正代入脚点定位模型中，结合卫星时刻、位置和姿态数据计算高精度脚点坐标。
在上述方法实施例内容的基础上，本发明实施例中提供的基于波匹配的星载激光测高仪山区脚点定位方法，所述收发系统的综合效率η包括：
η＝η1·η2·η3·G·e·RL
其中，η3为APD量子转换效率，G为APD增益系数，e为电子电量，RL为电路负载。
第二方面，本发明的实施例提供了一种基于波匹配的星载激光测高仪山区脚点定位装置，包括：第一主模块，用于实现步骤1：根据卫星和激光载荷的实测数据、系数参数、激光脚点初始平面位置附近的高精度DSM，获取不同位置的仿真回波波形Sk(i,j)；第二主模块，用于实现步骤2：不同位置仿真回波波形Sk(i,j)与激光载荷实测回波波形计算相关系数Mk(i,j)；第三主模块，用于实现步骤3：重复步骤1至步骤2，直到完全遍历第k个激光脚点对应的nxn格网DSM中所有网格节，得到当前激光脚点的相关系数矩阵Mk；第四主模块，用于实现步骤4：重复步骤1至步骤3，直到完全遍历当前轨道所有m个激光有效脚点，得到最终相关系数矩阵和Mall；第五主模块，用于实现步骤5：求解Mall中极大值网格点的水平位置，获取最大值位置与激光脚点初始位置的水平偏移；第六主模块，用于实现步骤6：该偏移为最佳匹配激光脚点水平位置与激光脚点初始位置的系统偏移，结合m个激光脚点初始位置，最终得到m个最佳波形匹配激光脚点的水平位置；第七主模块，用于实现步骤7：从高精度DSM中依次获取平面校正后m个激光脚点水平位置处的高程结果，作为每个激光脚点波形匹配后的高程坐标，最终得到m个激光脚点的三维坐标；第八主模块，用于实现步骤8：将激光脚点三维坐标代入已有的在轨标定模型，解算星载激光测高仪激光指向角与测距改正值，该步骤中代入在轨标定模型中的激光脚点三维坐标的数量一般不少于15个，以获得准确的测距改正值；第九主模块，用于实现步骤9：将步骤7中的激光指向角与测距改正值代入已有的脚点定位模型中，重新计算弧段内乃至整轨激光脚点坐标。
第三方面，本发明的实施例提供了一种电子设备，包括：
至少一个处理器；以及
与处理器通信连接的至少一个存储器，其中：
存储器存储有可被处理器执行的程序指令，处理器调用程序指令能够执行第一方面的各种实现方式中任一种实现方式所提供的基于波匹配的星载激光测高仪山区脚点定位方法。
第四方面，本发明的实施例提供了一种非暂态计算机可读存储介质，非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，计算机指令使计算机执行第一方面的各种实现方式中任一种实现方式所提供的基于波匹配的星载激光测高仪山区脚点定位方法。
本发明实施例提供的基于波匹配的星载激光测高仪山区脚点定位方法及设备，通过少数脚点的位置，解算系统参数，并外推计算更多激光脚点的位置，提升了激光脚点的水平和高程精度，针对小光斑星载激光测高仪，有效解决地面特征不足，波形匹配方法不适用的问题。获取地面脚点真值的位置不受时空约束，在境内外山地地区开展，有效的弥补了激光脚点山地数据和境外数据的不足，提升了国内星载激光测高仪在全球尺度的激光数据精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的基于波匹配的星载激光测高仪山区脚点定位方法流程图；
图2为本发明实施例提供的基于波匹配的星载激光测高仪山区脚点定位装置结构示意图；
图3为本发明实施例提供的电子设备的实体结构示意图；
图4为本发明实施例提供的7209号轨道576号地形示意图；
图5为本发明实施例提供的7209号轨道576号脚点仿真波形与实测波形示意图；
图6为本发明实施例提供的7209号轨道556～596号脚点41个激光脚点相关性系数等高线示意图；
图7为本发明实施例提供的初始激光脚点与本方法处理后激光脚点高程残差示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。另外，本发明提供的各个实施例或单个实施例中的技术特征可以相互任意结合，以形成可行的技术方案，这种结合不受步骤先后次序和/或结构组成模式的约束，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时，应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
将脚点附近区域地表不同位置的仿真计算激光回波波形与星载激光测高仪实测波形对比，寻找与实测波形最相似的仿真波形，并将最接近的仿真波形所对应的中心点坐标当作激光脚点的“真值”。利用不同地形对脚点不同方向上区分能力的不同，采用多个脚点的相关系数联合处理的方式，解决国产小光斑星载激光测高仪单点波形匹配难度大的问题，实现了激光脚点在山地区域的定位，提升了激光脚点精度。基于这种思想，本发明实施例提供了一种基于波匹配的星载激光测高仪山区脚点定位方法，参见图1，该方法包括：步骤1：根据卫星和激光载荷的实测数据、系数参数、激光脚点初始平面位置附近的高精度DSM，获取不同位置的仿真回波波形Sk(i,j)；步骤2：不同位置仿真回波波形Sk(i,j)与激光载荷实测回波波形计算相关系数Mk(i,j)；步骤3：重复步骤1至步骤2，直到完全遍历第k个激光脚点对应的nxn格网DSM中所有网格节，得到当前激光脚点的相关系数矩阵Mk；步骤4：重复步骤1至步骤3，直到完全遍历当前轨道所有m个激光有效脚点，得到最终相关系数矩阵和Mall；步骤5：求解Mall中极大值网格点的水平位置，获取最大值位置与激光脚点初始位置的水平偏移；步骤6：该偏移为最佳匹配激光脚点水平位置与激光脚点初始位置的系统偏移，结合m个激光脚点初始位置，最终得到m个最佳波形匹配激光脚点的水平位置；步骤7：从高精度DSM中依次获取平面校正后m个激光脚点水平位置处的高程结果，作为每个激光脚点波形匹配后的高程坐标，最终得到m个激光脚点的三维坐标；步骤8：将激光脚点三维坐标代入已有的在轨标定模型，解算星载激光测高仪激光指向角与测距改正值，该步骤中代入在轨标定模型中的激光脚点三维坐标的数量一般不少于15个，以获得准确的测距改正值；步骤9：将步骤7中的激光指向角与测距改正值代入已有的脚点定位模型中，重新计算弧段内乃至整轨激光脚点坐标。
基于上述方法实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的基于波匹配的星载激光测高仪山区脚点定位方法，步骤1具体包括：生成n行n列的DSM每条轨道中有效激光脚点总个数为m，(i,j)表示激光脚点在平面上相对于初始激光脚点的偏移量，i对应x方向，j对应y方向，初始激光脚点位置为(0,0)，i和j的取值范围为[-128，128]，i和j计算初值均从-128开始，剔除折射、前向散射和湍流效应的影响，模拟星载激光测高仪的发射脉冲激光经过衍射后达到地面，并被地物目标反射，反射激光再次经过衍射后被卫星接收系统接收全过程，激光脉冲达到地面的能量S1(t)：
其中，d是星载激光测高仪与地面目标的距离，η1为发射系统效率，(x,y)是地表平面坐标,|a(x,y)|2是发射激光空间能量分布，Ta是单程大气透过率，f(t)是入射激光脉冲的时间分布，ψ(x,y)是由地表起伏和激光脚点水平分布引起的时延，表示为：
ξ(x,y)是(x,y)处的地表高程，c是真空中光速，地表反射激光脉冲再次经过大气衍射到达星载激光测高仪接收系统后的接收信号S2(t)用下式表示：
其中，η2为接收系统效率，g(x,y)是地面目标在1064nm波段相对反射率分布函数，AR是接收系统有效孔径面积，激光回波信号经过雪崩光电二极管后，激光回波信号S(t)用下式表示：
其中，hv是光子能量，η是收发系统的综合效率，包含星载激光测高仪收发系统效率、APD光电转换效率。
基于上述方法实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的基于波匹配的星载激光测高仪山区脚点定位方法，步骤2具体包括：以相关系数作为仿真波形与实测波形相似程度的判据，相关系数越大，表明仿真波形与实测波形越相似，该位置是激光脚点实际落点的概率也越高，相关系数方式计算包括：
其中，R'(t)为归一化实测波形，S'(t)为归一化仿真波形，σ为对应统计标准差，ρ为两个波形的相关系数，S'(t)的长度需与R'(t)的长度相同。
基于上述方法实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的基于波匹配的星载激光测高仪山区脚点定位方法，步骤5具体对每一个脚点的相关系数矩阵进行叠加，获取具有明显极值区域的相关系数叠加图。
基于上述方法实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的基于波匹配的星载激光测高仪山区脚点定位方法，步骤8中将脚点三维坐标代入在轨标定模型解算星载激光测高仪激光指向角与测距改正值。
基于上述方法实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的基于波匹配的星载激光测高仪山区脚点定位方法，步骤9具体包括将激光指向角与测距改正代入脚点定位模型中，结合卫星时刻、位置和姿态数据计算高精度脚点坐标。
基于上述方法实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的基于波匹配的星载激光测高仪山区脚点定位方法，所述收发系统的综合效率η包括：
η＝η1·η2·η3·G·e·RL (6)
其中，η3为APD量子转换效率，G为APD增益系数，e为电子电量，RL为电路负载。
在另一实施例中，根据卫星和激光载荷的实测数据、系数参数、激光脚点初始平面位置附近的高精度DSM获取不同位置的仿真回波波形。以576号激光脚点为例，图4中A、B、C三个椭圆形区域即为三个仿真波形对应激光光斑的覆盖区域，各点仿真波形如图5中虚线所示。激光脉冲达到地面的能量如(1)式。ψ(x,y)是由地表起伏和激光脚点水平分布引起的时延，可以表示为(2)式。地表反射激光脉冲再次经过大气衍射到达星载激光测高仪接收系统后的接收信号可以用(3)式表示。激光回波信号经过雪崩光电二极管(AvalanchePhotodiode Detectors，APD)后，激光回波信号可以用(4)式表示。收发系统的综合效率η可以用(6)式表示。
步骤2：不同位置仿真回波波形Sk(i,j)与激光载荷实测回波波形计算相关系数。实测波形如图3中蓝色实线所示，在局部方法图中可以看出A点处仿真波形与实测波形相似程度最大。相关系数的计算方法如(5)式所示。
步骤3：重复1～2步，直到完全遍历第k个激光脚点对应的nxn格网DSM中所有网格节，得到当前激光脚点的相关系数矩阵。576号脚点相关系数矩阵如图6所示，可以看出无明显极值区域。
步骤4：重复1～3步，直到完全遍历当前轨道所有m个激光有效脚点，得到最终相关系数矩阵和Mall。样例中采用41个激光脚点，累计相关系数得到图7所示。
步骤5：求解Mall中极大值网格点的水平位置，获取最大值位置与激光脚点初始位置的水平偏移。图7中黑色圆点即为极值最大点位置，可以认为其为最佳匹配点。可以去求解其与初始位置(0，0)点的距离，则为水平偏移。
步骤6：该偏移为最佳匹配激光脚点水平位置与激光脚点初始位置的系统偏移，结合m个激光脚点初始位置，最终得到m个最佳波形匹配激光脚点的水平位置。
步骤7：从高精度DSM中依次获取平面校正后m个激光脚点水平位置处的高程结果，作为每个激光脚点波形匹配后的高程坐标，最终得到m个激光脚点的三维坐标。
步骤8：将15激光脚点三维坐标代入已有的在轨标定模型，解算星载激光测高仪激光指向角与测距改正值。此时GF-7号卫星星载激光测高仪测距改正值和指向角分别为横滚角为-2570.67″，俯仰角为167.96″，测距改正值为751.86m
步骤9：将步骤7中的激光指向角与测距改正值代入已有的脚点定位模型中，重新计算弧段内乃至整轨激光脚点坐标。初始脚点位置高程残差和本方法处理后脚点残差如图7中蓝色和红色折线所示，本文方法处理后，脚点高程精度为0.27m±0.61m，说明本方法获得脚点位置与实际激光落点一致。
本发明实施例提供的基于波匹配的星载激光测高仪山区脚点定位方法，通过少数脚点的位置，解算系统参数，并外推计算更多激光脚点的位置，提升了激光脚点的水平和高程精度，针对小光斑星载激光测高仪，有效解决地面特征不足，波形匹配方法不适用的问题。获取地面脚点真值的位置不受时空约束，在境内外山地地区开展，有效的弥补了激光脚点山地数据和境外数据的不足，提升了国内星载激光测高仪在全球尺度的激光数据精度。
本发明各个实施例的实现基础是通过具有处理器功能的设备进行程序化的处理实现的。因此在工程实际中，可以将本发明各个实施例的技术方案及其功能封装成各种模块。基于这种现实情况，在上述各实施例的基础上，本发明的实施例提供了一种基于波匹配的星载激光测高仪山区脚点定位装置，该装置用于执行上述方法实施例中的基于波匹配的星载激光测高仪山区脚点定位方法。参见图2，该装置包括：第一主模块，用于实现步骤1：根据卫星和激光载荷的实测数据、系数参数、激光脚点初始平面位置附近的高精度DSM，获取不同位置的仿真回波波形Sk(i,j)；第二主模块，用于实现步骤2：不同位置仿真回波波形Sk(i,j)与激光载荷实测回波波形计算相关系数Mk(i,j)；第三主模块，用于实现步骤3：重复步骤1至步骤2，直到完全遍历第k个激光脚点对应的nxn格网DSM中所有网格节，得到当前激光脚点的相关系数矩阵Mk；第四主模块，用于实现步骤4：重复步骤1至步骤3，直到完全遍历当前轨道所有m个激光有效脚点，得到最终相关系数矩阵和Mall；第五主模块，用于实现步骤5：求解Mall中极大值网格点的水平位置，获取最大值位置与激光脚点初始位置的水平偏移；第六主模块，用于实现步骤6：该偏移为最佳匹配激光脚点水平位置与激光脚点初始位置的系统偏移，结合m个激光脚点初始位置，最终得到m个最佳波形匹配激光脚点的水平位置；第七主模块，用于实现步骤7：从高精度DSM中依次获取平面校正后m个激光脚点水平位置处的高程结果，作为每个激光脚点波形匹配后的高程坐标，最终得到m个激光脚点的三维坐标；第八主模块，用于实现步骤8：将激光脚点三维坐标代入已有的在轨标定模型，解算星载激光测高仪激光指向角与测距改正值，该步骤中代入在轨标定模型中的激光脚点三维坐标的数量一般不少于15个，以获得准确的测距改正值；第九主模块，用于实现步骤9：将步骤7中的激光指向角与测距改正值代入已有的脚点定位模型中，重新计算弧段内乃至整轨激光脚点坐标。
本发明实施例提供的基于波匹配的星载激光测高仪山区脚点定位装置，采用图2中的若干模块，通过少数脚点的位置，解算系统参数，并外推计算更多激光脚点的位置，提升了激光脚点的水平和高程精度，针对小光斑星载激光测高仪，有效解决地面特征不足，波形匹配方法不适用的问题。获取地面脚点真值的位置不受时空约束，在境内外山地地区开展，有效的弥补了激光脚点山地数据和境外数据的不足，提升了国内星载激光测高仪在全球尺度的激光数据精度。
需要说明的是，本发明提供的装置实施例中的装置，除了可以用于实现上述方法实施例中的方法外，还可以用于实现本发明提供的其他方法实施例中的方法，区别仅仅在于设置相应的功能模块，其原理与本发明提供的上述装置实施例的原理基本相同，只要本领域技术人员在上述装置实施例的基础上，参考其他方法实施例中的具体技术方案，通过组合技术特征获得相应的技术手段，以及由这些技术手段构成的技术方案，在保证技术方案具备实用性的前提下，就可以对上述装置实施例中的装置进行改进，从而得到相应的装置类实施例，用于实现其他方法类实施例中的方法。例如：
基于上述装置实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的基于波匹配的星载激光测高仪山区脚点定位装置，还包括：第一子模块，用于实现步骤1具体包括：生成n行n列的DSM每条轨道中有效激光脚点总个数为m，(i,j)表示激光脚点在平面上相对于初始激光脚点的偏移量，i对应x方向，j对应y方向，初始激光脚点位置为(0,0)，i和j的取值范围为[-128，128]，i和j计算初值均从-128开始，剔除折射、前向散射和湍流效应的影响，模拟星载激光测高仪的发射脉冲激光经过衍射后达到地面，并被地物目标反射，反射激光再次经过衍射后被卫星接收系统接收全过程，激光脉冲达到地面的能量S1(t)：
其中，d是星载激光测高仪与地面目标的距离，η1为发射系统效率，(x,y)是地表平面坐标,|a(x,y)|2是发射激光空间能量分布，Ta是单程大气透过率，f(t)是入射激光脉冲的时间分布，ψ(x,y)是由地表起伏和激光脚点水平分布引起的时延，表示为：
ξ(x,y)是(x,y)处的地表高程，c是真空中光速，地表反射激光脉冲再次经过大气衍射到达星载激光测高仪接收系统后的接收信号S2(t)用下式表示：
其中，η2为接收系统效率，g(x,y)是地面目标在1064nm波段相对反射率分布函数，AR是接收系统有效孔径面积，激光回波信号经过雪崩光电二极管后，激光回波信号S(t)用下式表示：
其中，hv是光子能量，η是收发系统的综合效率，包含星载激光测高仪收发系统效率、APD光电转换效率。
基于上述装置实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的基于波匹配的星载激光测高仪山区脚点定位装置，还包括：第二子模块，用于实现步骤2具体包括：以相关系数作为仿真波形与实测波形相似程度的判据，相关系数越大，表明仿真波形与实测波形越相似，该位置是激光脚点实际落点的概率也越高，相关系数方式计算包括：
其中，R'(t)为归一化实测波形，S'(t)为归一化仿真波形，σ为对应统计标准差，ρ为两个波形的相关系数，S'(t)的长度需与R'(t)的长度相同。
基于上述装置实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的基于波匹配的星载激光测高仪山区脚点定位装置，还包括：第三子模块，用于实现步骤5具体对每一个脚点的相关系数矩阵进行叠加，获取具有明显极值区域的相关系数叠加图。
基于上述装置实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的基于波匹配的星载激光测高仪山区脚点定位装置，还包括：第四子模块，用于实现步骤8中将脚点三维坐标代入在轨标定模型解算星载激光测高仪激光指向角与测距改正值。
基于上述装置实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的基于波匹配的星载激光测高仪山区脚点定位装置，还包括：第五子模块，用于实现步骤9具体包括将激光指向角与测距改正代入脚点定位模型中，结合卫星时刻、位置和姿态数据计算高精度脚点坐标。
基于上述装置实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的基于波匹配的星载激光测高仪山区脚点定位装置，还包括：第六子模块，用于实现所述收发系统的综合效率η包括：
η＝η1·η2·η3·G·e·RL
其中，η3为APD量子转换效率，G为APD增益系数，e为电子电量，RL为电路负载。
本发明实施例的方法是依托电子设备实现的，因此对相关的电子设备有必要做一下介绍。基于此目的，本发明的实施例提供了一种电子设备，如图3所示，该电子设备包括：至少一个处理器(processor)、通信接口(Communications Interface)、至少一个存储器(memory)和通信总线，其中，至少一个处理器，通信接口，至少一个存储器通过通信总线完成相互间的通信。至少一个处理器可以调用至少一个存储器中的逻辑指令，以执行前述各个方法实施例提供的方法的全部或部分步骤。
此外，上述的至少一个存储器中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个方法实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件实现。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的一些部分所述的方法。
附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。基于这种认识，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
需要说明的是，术语"包括"、"包含"或者其任何其它变体意在涵盖非排它性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句"包括……"限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于波匹配的星载激光测高仪山区脚点定位方法，其特征在于，包括：步骤1：根据卫星和激光载荷的实测数据、系数参数、激光脚点初始平面位置附近的高精度DSM，获取不同位置的仿真回波波形Sk(i,j)；步骤2：不同位置仿真回波波形Sk(i,j)与激光载荷实测回波波形计算相关系数Mk(i,j)；步骤3：重复步骤1至步骤2，直到完全遍历第k个激光脚点对应的nxn格网DSM中所有网格节，得到当前激光脚点的相关系数矩阵Mk；步骤4：重复步骤1至步骤3，直到完全遍历当前轨道所有m个激光有效脚点，得到最终相关系数矩阵和Mall；步骤5：求解Mall中极大值网格点的水平位置，获取最大值位置与激光脚点初始位置的水平偏移；步骤6：该偏移为最佳匹配激光脚点水平位置与激光脚点初始位置的系统偏移，结合m个激光脚点初始位置，最终得到m个最佳波形匹配激光脚点的水平位置；步骤7：从高精度DSM中依次获取平面校正后m个激光脚点水平位置处的高程结果，作为每个激光脚点波形匹配后的高程坐标，最终得到m个激光脚点的三维坐标；步骤8：将激光脚点三维坐标代入已有的在轨标定模型，解算星载激光测高仪激光指向角与测距改正值，该步骤中代入在轨标定模型中的激光脚点三维坐标的数量一般不少于15个，以获得准确的测距改正值；步骤9：将步骤7中的激光指向角与测距改正值代入已有的脚点定位模型中，重新计算弧段内乃至整轨激光脚点坐标。
2.根据权利要求1所述的基于波匹配的星载激光测高仪山区脚点定位方法，其特征在于，步骤1具体包括：生成n行n列的DSM每条轨道中有效激光脚点总个数为m，(i,j)表示激光脚点在平面上相对于初始激光脚点的偏移量，i对应x方向，j对应y方向，初始激光脚点位置为(0,0)，i和j的取值范围为[-128，128]，i和j计算初值均从-128开始，剔除折射、前向散射和湍流效应的影响，模拟星载激光测高仪的发射脉冲激光经过衍射后达到地面，并被地物目标反射，反射激光再次经过衍射后被卫星接收系统接收全过程，激光脉冲达到地面的能量S1(t)：
其中，d是星载激光测高仪与地面目标的距离，η1为发射系统效率，(x,y)是地表平面坐标,|a(x,y)|2是发射激光空间能量分布，Ta是单程大气透过率，f(t)是入射激光脉冲的时间分布，ψ(x,y)是由地表起伏和激光脚点水平分布引起的时延，表示为：
ξ(x,y)是(x,y)处的地表高程，c是真空中光速，地表反射激光脉冲再次经过大气衍射到达星载激光测高仪接收系统后的接收信号S2(t)用下式表示：
其中，η2为接收系统效率，g(x,y)是地面目标在1064nm波段相对反射率分布函数，AR是接收系统有效孔径面积，激光回波信号经过雪崩光电二极管后，激光回波信号S(t)用下式表示：
其中，hv是光子能量，η是收发系统的综合效率，包含星载激光测高仪收发系统效率、APD光电转换效率。
3.根据权利要求2所述的基于波匹配的星载激光测高仪山区脚点定位方法，其特征在于，步骤2具体包括：以相关系数作为仿真波形与实测波形相似程度的判据，相关系数越大，表明仿真波形与实测波形越相似，该位置是激光脚点实际落点的概率也越高，相关系数方式计算包括：
其中，R'(t)为归一化实测波形，S'(t)为归一化仿真波形，σ为对应统计标准差，ρ为两个波形的相关系数，S'(t)的长度需与R'(t)的长度相同。
4.根据权利要求3所述的基于波匹配的星载激光测高仪山区脚点定位方法，其特征在于，步骤5具体对每一个脚点的相关系数矩阵进行叠加，获取具有明显极值区域的相关系数叠加图。
5.根据权利要求4所述的基于波匹配的星载激光测高仪山区脚点定位方法，其特征在于，步骤8中将脚点三维坐标代入在轨标定模型解算星载激光测高仪激光指向角与测距改正值。
6.根据权利要求5所述的基于波匹配的星载激光测高仪山区脚点定位方法，其特征在于，步骤9具体包括将激光指向角与测距改正代入脚点定位模型中，结合卫星时刻、位置和姿态数据计算高精度脚点坐标。
7.根据权利要求6所述的基于波匹配的星载激光测高仪山区脚点定位方法，其特征在于，所述收发系统的综合效率η包括：
η＝η1·η2·η3·G·e·RL
其中，η3为APD量子转换效率，G为APD增益系数，e为电子电量，RL为电路负载。
8.一种基于波匹配的星载激光测高仪山区脚点定位装置，其特征在于，包括：第一主模块，用于实现步骤1：根据卫星和激光载荷的实测数据、系数参数、激光脚点初始平面位置附近的高精度DSM，获取不同位置的仿真回波波形Sk(i,j)；第二主模块，用于实现步骤2：不同位置仿真回波波形Sk(i,j)与激光载荷实测回波波形计算相关系数Mk(i,j)；第三主模块，用于实现步骤3：重复步骤1至步骤2，直到完全遍历第k个激光脚点对应的nxn格网DSM中所有网格节，得到当前激光脚点的相关系数矩阵Mk；第四主模块，用于实现步骤4：重复步骤1至步骤3，直到完全遍历当前轨道所有m个激光有效脚点，得到最终相关系数矩阵和Mall；第五主模块，用于实现步骤5：求解Mall中极大值网格点的水平位置，获取最大值位置与激光脚点初始位置的水平偏移；第六主模块，用于实现步骤6：该偏移为最佳匹配激光脚点水平位置与激光脚点初始位置的系统偏移，结合m个激光脚点初始位置，最终得到m个最佳波形匹配激光脚点的水平位置；第七主模块，用于实现步骤7：从高精度DSM中依次获取平面校正后m个激光脚点水平位置处的高程结果，作为每个激光脚点波形匹配后的高程坐标，最终得到m个激光脚点的三维坐标；第八主模块，用于实现步骤8：将激光脚点三维坐标代入已有的在轨标定模型，解算星载激光测高仪激光指向角与测距改正值，该步骤中代入在轨标定模型中的激光脚点三维坐标的数量一般不少于15个，以获得准确的测距改正值；第九主模块，用于实现步骤9：将步骤7中的激光指向角与测距改正值代入已有的脚点定位模型中，重新计算弧段内乃至整轨激光脚点坐标。
9.一种电子设备，其特征在于，包括：
至少一个处理器、至少一个存储器和通信接口；其中，
所述处理器、存储器和通信接口相互间进行通信；
所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令，以执行权利要求1至7任一项权利要求所述的方法。
10.一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行权利要求1至7中任一项权利要求所述的方法。
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