CN117930203A - 星载光子激光雷达的冰雪反射信号在轨辐射校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开星载光子激光雷达的冰雪反射信号在轨辐射校正方法，属于激光雷达测量技术领域，用于雷达信号校正，包括星载光子计数激光雷达的反射噪声项建模，计算星载光子计数激光过境冰雪区域的理论噪声率，计算理论信号光子数，结合星载光子计数激光雷达的冰雪区域实测信号与实测噪声，计算辐射校正系数；星载光子计数激光雷达的反射噪声项建模包括星载光子计数激光雷达的冰雪反射噪声项建模、星载光子计数激光雷达的大气瑞利散射噪声项建模和星载光子计数激光冰雪与大气多次反射引起的噪声项建模。本发明实现星载光子计数激光雷达在轨辐射校正，大幅降低在轨运行期间产生的辐射失真影响，从而提高星载光子计数激光雷达数据的质量与可信性。

Description

星载光子激光雷达的冰雪反射信号在轨辐射校正方法

技术领域

本发明公开星载光子激光雷达的冰雪反射信号在轨辐射校正方法，属于激光雷达测量技术领域。

背景技术

星载光子计数激光雷达所获取的辐射信息主要包含传输链路各介质反射、散射的激光信号与太阳背景噪声，这些辐射信息在多个领域具有广泛应用。通过利用激光雷达的植被反射激光信号可以反演叶面积指数，水体后向散射信号可以反演水下光学参数、叶绿素浓度、底栖生物反射率等多种信息。同时，激光雷达接收到的太阳辐射噪声数据也可用于气溶胶厚度反演、沿轨地物分类等应用。

然而，星载光子计数激光雷达在轨期间，硬件参数会随时间发生一定的漂移，即卫星在轨运行时的系统硬件参数与地面设计、测试参数存在一定的差异，产生辐射信息失真，这种失真将直接对利用辐射信息反演的各种环境参数引入误差。因此，对星载光子计数激光雷达获取的信号与噪声数据进行辐射校正是必要的，可以增强数据的实用性与可靠性，是进行精准遥感定量反演应用与分析的前提条件。极地内陆的冰盖表面常年被冰雪覆盖，表面反射率稳定（约0.95），绝大部分区域坡度小于1/100且云出现频次很低，因此极地内陆冰盖区域的冰雪表面反射数据是星载光子计数激光雷达辐射校正的理想区域与地表类型。

发明内容

本发明的目的在于提供星载光子激光雷达的冰雪反射信号在轨辐射校正方法，以解决现有技术中，星载光子计数激光雷达的信号与噪声数据精度低，需要进行校正的问题。

星载光子激光雷达的冰雪反射信号在轨辐射校正方法，包括星载光子计数激光雷达的反射噪声项建模，计算星载光子计数激光过境冰雪区域的理论噪声率，计算理论信号光子数，结合星载光子计数激光雷达的冰雪区域实测信号与实测噪声，计算辐射校正系数。

星载光子计数激光雷达的反射噪声项建模包括星载光子计数激光雷达的冰雪反射噪声项建模、星载光子计数激光雷达的大气瑞利散射噪声项建模和星载光子计数激光冰雪与大气多次反射引起的噪声项建模；

星载光子计数激光雷达的冰雪反射噪声项建模包括计算大气漫射透过率、雪地双向反射分布函数建模和计算星载激光雷达在冰雪表面反射太阳噪声率。

计算大气漫射透过率包括，在没有云和气溶胶覆盖的情况下，入射天底角为θ时漫射大气透过率近似为：

；/>；/>；

式中，τ_R为瑞利光学厚度，τ_O3为臭氧层光学厚度，P为地表大气压力，P₀为标准大气压，τ₀为标准大气压下在288.15K温度条件时的瑞利光学厚度，q_O3为臭氧浓度，k_O3为臭氧吸收系数。

雪地双向反射分布函数为ρ(θ_s，θ_v，φ)表示在太阳入射天底角为θ_s、激光雷达接收天顶角为θ_v、θ_s与θ_v之间相对方位角为φ时的反射率：

；

；/>；

；；

；

式中，、/>、/>、/>为中间参数，/>取0.02，/>为将太阳直射光散射到接收系统的对应散射角度，a=1.247，b=1.186，c=5.157。

计算星载激光雷达在冰雪表面反射太阳噪声率：

；

式中，η是激光雷达系统整体接收效率，h为普朗克常数，是激光频率，θ_r是接收光学系统的半视场角，A_r是望远镜有效面积，Δλ是光学滤光片有关带宽，/>是太阳在大气层外的平均辐照度，/>是/>对应的/>，/>是/>对应的/>。

星载光子计数激光雷达的大气瑞利散射噪声项为：

；/>；

式中，P_r为瑞利散射相位函数。

星载光子计数激光冰雪与大气多次反射引起的噪声项为：

；

式中，ρ_surf是冰雪表面反射率近似值，为大气反射率，在没有云层和气溶胶时为0.5×τ_R，在标准大气压下，f_g-air为f_surf的5%。

星载光子计数激光过境冰雪区域的理论噪声率为：

；

式中，是星载激光雷达探测器暗计数噪声。

计算理论信号光子数：

；/>；

式中，E_t是单次激光脉冲发射能量，R_h是卫星飞行高度，D_c为探测器死区修正因子，T是大气直射单程透过率。

结合星载光子计数激光雷达的冰雪区域实测信号与实测噪声，计算辐射校正系数为：

；/>；

式中，F_signal为星载光子计数激光雷达在轨信号辐射校正系数，F_noise为星载光子计数激光雷达噪声辐射校正系数，N_mea为星载光子计数激光雷达在飞越冰雪区域的实测平均单次脉冲信号光子数，f_mea为星载光子计数激光雷达在飞越冰雪区域的实测噪声率。

相对比现有技术，本发明具有以下有益效果：实现星载光子计数激光雷达在轨辐射校正，大幅降低在轨运行期间产生的辐射失真影响，从而提高星载光子计数激光雷达数据的质量与可信性。

附图说明

图1是通道PCE1的信号辐射改正系数F _signal ；

图2是通道PCE2的信号辐射改正系数F _signal ；

图3是通道PCE3的信号辐射改正系数F _signal ；

图4是通道PCE1的噪声辐射改正系数F _noise ；

图5是通道PCE2的噪声辐射改正系数F _noise ；

图6是通道PCE3的噪声辐射改正系数F _noise 。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明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的一部分实施例，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作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。

星载光子激光雷达的冰雪反射信号在轨辐射校正方法，包括星载光子计数激光雷达的反射噪声项建模，计算星载光子计数激光过境冰雪区域的理论噪声率，计算理论信号光子数，结合星载光子计数激光雷达的冰雪区域实测信号与实测噪声，计算辐射校正系数。

星载光子计数激光雷达的反射噪声项建模包括星载光子计数激光雷达的冰雪反射噪声项建模、星载光子计数激光雷达的大气瑞利散射噪声项建模和星载光子计数激光冰雪与大气多次反射引起的噪声项建模；

星载光子计数激光雷达的冰雪反射噪声项建模包括计算大气漫射透过率、雪地双向反射分布函数建模和计算星载激光雷达在冰雪表面反射太阳噪声率。

计算大气漫射透过率包括，在没有云和气溶胶覆盖的情况下，入射天底角为θ时漫射大气透过率近似为：

；/>；/>；

式中，τ_R为瑞利光学厚度，τ_O3为臭氧层光学厚度，P为地表大气压力，P₀为标准大气压，τ₀为标准大气压下在288.15K温度条件时的瑞利光学厚度，q_O3为臭氧浓度，k_O3为臭氧吸收系数。

雪地双向反射分布函数为ρ(θ_s，θ_v，φ)表示在太阳入射天底角为θ_s、激光雷达接收天顶角为θ_v、θ_s与θ_v之间相对方位角为φ时的反射率：

；

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；；

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式中，、/>、/>、/>为中间参数，/>取0.02，/>为将太阳直射光散射到接收系统的对应散射角度，a=1.247，b=1.186，c=5.157。

计算星载激光雷达在冰雪表面反射太阳噪声率：

；

式中，η是激光雷达系统整体接收效率，h为普朗克常数，是激光频率，θ_r是接收光学系统的半视场角，A_r是望远镜有效面积，Δλ是光学滤光片有关带宽，/>是太阳在大气层外的平均辐照度，/>是/>对应的/>，/>是/>对应的/>。

星载光子计数激光雷达的大气瑞利散射噪声项为：

；/>；

式中，P_r为瑞利散射相位函数。

星载光子计数激光冰雪与大气多次反射引起的噪声项为：

；

式中，ρ_surf是冰雪表面反射率近似值，为大气反射率，在没有云层和气溶胶时为0.5×τ_R，在标准大气压下，f_g-air为f_surf的5%。

星载光子计数激光过境冰雪区域的理论噪声率为：

；

式中，是星载激光雷达探测器暗计数噪声。

计算理论信号光子数：

；/>；

式中，E_t是单次激光脉冲发射能量，R_h是卫星飞行高度，D_c为探测器死区修正因子，T是大气直射单程透过率。

结合星载光子计数激光雷达的冰雪区域实测信号与实测噪声，计算辐射校正系数为：

；/>；

式中，F_signal为星载光子计数激光雷达在轨信号辐射校正系数，F_noise为星载光子计数激光雷达噪声辐射校正系数，N_mea为星载光子计数激光雷达在飞越冰雪区域的实测平均单次脉冲信号光子数，f_mea为星载光子计数激光雷达在飞越冰雪区域的实测噪声率。

本发明实施例以美国ICESat-2新一代光子计数激光雷达卫星自身的系统硬件参数，飞越南极内陆冰盖区域获取的信号、噪声及同步获取太阳入射天底角等数据作为样例，计算ICESat-2星载光子计数激光雷达的在轨辐射校正系数。ICESat-2搭载了全球首颗光子计数体制激光雷达ATLAS，其发射激光脉冲能量被分为六个波束（三个强波束、三个弱波束，强弱能量比为4:1），每个波束中相邻激光足印在地表间隔约为0.7m，激光波长为532nm。

ICESat-2光子计数激光雷达载有3个光子计数电子采集卡PCE，每个采集卡分别处理一个通道（包含一个强波束、一个若波束）的接收数据，因此本实施例针对ICESat-2星载光子计数激光雷达的三个PCE，分别进行辐射校正，计算对应的在轨信号辐射校正系数F _signal 和噪声辐射校正系数F _noise 。实施例选择南极内陆冰盖区域（75.2°S-83.5°S,132.5°E-147.2°E），该区域常年被冰雪覆盖，具有极为稳定的地表反射率，且基本不存在云和气溶胶，可以削弱各种外界干扰影响，适合作为ICESat-2光子计数激光雷达在轨辐射校正系数计算。

本发明中，q _O3 设为常数0.3，k _O3 为臭氧吸收系数，给定波长可通过查表获得，在532nm绿光波段为0.065cm⁻¹，τ ₀ 为标准大气压P ₀ (1013.25hPa)在288.15K温度条件时的瑞利光学厚度，在532nm绿光波段等于0.1112；ICESat-2星载单光子激光雷达ATL09数据产品提供观测位置对应的地表气压数值P。ICESat-2星载单光子激光雷达ATL09数据产品提供观测位置对应的θ _s 数值，ICESat-2星载单光子激光雷达接收天顶角为θ _v =0.38°，由于θ _v 角度很小接近0°方位角φ影响很小，可使用φ=0°近似。ICESat-2的ATL04数据产品提供接收噪声灵敏度B _ret ，其对应于噪声计算时对应η/hυ项；对于ICESat-2的系统硬件参数，接收光学系统的半视场角θ _r =87.5/2μrad，望远镜有效面积A _r =0.505m²，光学滤光片有关带宽Δλ=38pm，N _λ ⁰ 是太阳在大气层外的平均辐照度，在532nm绿光波段为1.832W/(m²nm)。（ICESat-2对应R _h =500km），D _c 为探测器死区修正因子（ICESat-2的ATL09产品提供）；ICESat-2的ATL04产品提供了接收信号灵敏度S _ret ，对应于信号计算时的η/hυ项。

ICESat-2卫星发布的ATL09产品提供了每400次激光脉冲的总计信号光子数N _p09 ，实测平均单次脉冲信号光子数可以表示为N _mea =N _p09 /400。同时，ATL09产品提供了每400发脉冲的大气通道网格内统计的噪声光子数（N _n09 ），对应垂直30m距离或0.2us时间长度；因此f _mea 可以表示为f _mea =N _n09 /400/0.2μs。

在实施例中使用ICESat-2单光子激光雷达飞越南极内陆冰盖区域获取的信号与噪声数据以及其他相关参数实现在轨辐射校正，三个通道（PCE1，PCE2，PCE3）的信号辐射改正系数F _signal 分别如图1、图2和图3所示，为1.89，1.84，1.89，3个通道的噪声辐射改正系数F _noise 分别如图4、图5和图6所示，为1.91，2.04，1.93。在所有的3个PCE中，ICESat-2能够以相对稳定的辐射改正系数（接近1.9倍）记录比预期值更多的信号和噪声光子，且利用信号和噪声数据分别计算的辐射改正系数非常接近，能够彼此相互校验。

以上实施例仅用于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，或者对其中部分或者全部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范围。

Claims (10)

1.星载光子激光雷达的冰雪反射信号在轨辐射校正方法，其特征在于，包括星载光子计数激光雷达的反射噪声项建模，计算星载光子计数激光过境冰雪区域的理论噪声率，计算理论信号光子数，结合星载光子计数激光雷达的冰雪区域实测信号与实测噪声，计算辐射校正系数。

2.根据权利要求1所述的星载光子激光雷达的冰雪反射信号在轨辐射校正方法，其特征在于，星载光子计数激光雷达的反射噪声项建模包括星载光子计数激光雷达的冰雪反射噪声项建模、星载光子计数激光雷达的大气瑞利散射噪声项建模和星载光子计数激光冰雪与大气多次反射引起的噪声项建模；

星载光子计数激光雷达的冰雪反射噪声项建模包括计算大气漫射透过率、雪地双向反射分布函数建模和计算星载激光雷达在冰雪表面反射太阳噪声率。

3.根据权利要求2所述的星载光子激光雷达的冰雪反射信号在轨辐射校正方法，其特征在于，计算大气漫射透过率包括，在没有云和气溶胶覆盖的情况下，入射天底角为θ时漫射大气透过率近似为：

；/>；/>；

式中，τ_R为瑞利光学厚度，τ_O3为臭氧层光学厚度，P为地表大气压力，P₀为标准大气压，τ₀为标准大气压下在288.15K温度条件时的瑞利光学厚度，q_O3为臭氧浓度，k_O3为臭氧吸收系数。

4.根据权利要求3所述的星载光子激光雷达的冰雪反射信号在轨辐射校正方法，其特征在于，雪地双向反射分布函数为ρ(θ_s，θ_v，φ)表示在太阳入射天底角为θ_s、激光雷达接收天顶角为θ_v、θ_s与θ_v之间相对方位角为φ时的反射率：

；

；/>；

；；

；

式中，、/>、/>、/>为中间参数，/>取0.02，/>为将太阳直射光散射到接收系统的对应散射角度，a=1.247，b=1.186，c=5.157。

5.根据权利要求4所述的星载光子激光雷达的冰雪反射信号在轨辐射校正方法，其特征在于，计算星载激光雷达在冰雪表面反射太阳噪声率：

；

式中，η是激光雷达系统整体接收效率，h为普朗克常数，是激光频率，θ_r是接收光学系统的半视场角，A_r是望远镜有效面积，Δλ是光学滤光片有关带宽，/>是太阳在大气层外的平均辐照度，/>是/>对应的/>，/>是/>对应的/>。

6.根据权利要求5所述的星载光子激光雷达的冰雪反射信号在轨辐射校正方法，其特征在于，星载光子计数激光雷达的大气瑞利散射噪声项为：

；/>；

式中，P_r为瑞利散射相位函数。

7.根据权利要求6所述的星载光子激光雷达的冰雪反射信号在轨辐射校正方法，其特征在于，星载光子计数激光冰雪与大气多次反射引起的噪声项为：

；

式中，ρ_surf是冰雪表面反射率近似值，为大气反射率，在没有云层和气溶胶时/>为0.5×τ_R，在标准大气压下，f_g-air为f_surf的5%。

8.根据权利要求7所述的星载光子激光雷达的冰雪反射信号在轨辐射校正方法，其特征在于，星载光子计数激光过境冰雪区域的理论噪声率为：

；

式中，是星载激光雷达探测器暗计数噪声。

9.根据权利要求8所述的星载光子激光雷达的冰雪反射信号在轨辐射校正方法，其特征在于，计算理论信号光子数：

；/>；

式中，E_t是单次激光脉冲发射能量，R_h是卫星飞行高度，D_c为探测器死区修正因子，T是大气直射单程透过率。

10.根据权利要求9所述的星载光子激光雷达的冰雪反射信号在轨辐射校正方法，其特征在于，结合星载光子计数激光雷达的冰雪区域实测信号与实测噪声，计算辐射校正系数为：

；/>；

式中，F_signal为星载光子计数激光雷达在轨信号辐射校正系数，F_noise为星载光子计数激光雷达噪声辐射校正系数，N_mea为星载光子计数激光雷达在飞越冰雪区域的实测平均单次脉冲信号光子数，f_mea为星载光子计数激光雷达在飞越冰雪区域的实测噪声率。