激光测高仪接收信号波形模拟器

　　1　引　言

　　随着人们对空间信息需求的不断增长,各种空间探测技术也开始逐渐得到发展。激光测高技术是一门新兴技术,在空间探测技术中占有非常重要的地位。利用激光测高技术不仅能获取高精度的三维地形信息,而且能获取丰富的地表资源及环境信息。国外早在20世纪70年代就开始研究激光测高技术,并开发出一系列的激光测高系统,其中包括GLAS,MOLA及LVIS系统[1~3]。

　　激光测高仪的接收信号模型与激光传输路径上的大气参数、光斑内的目标模型及测高仪的系统参数有关。大气对激光脉冲信号的影响,不仅表现在时间上脉冲的延迟及展宽效应上,而且表现在空间上激光强度的起伏上。这些影响可以归究为大气传递函数的影响,大气传递函数的求解方法有解析法和蒙特卡罗法。由于目前的测高仪系统中,发射激光的发散角及接收望远镜视场角都在毫弧量级,并且大气对流层离接收望远镜距离较远,因此,大气对激光信号的影响非常小[4]。本文根据GLAS的系统参数,在忽略大气影响的情况下,利用网格划分的方法,对光斑内的目标模型进行离散化,分析讨论了不同目标模型下接收信号的输出参数和波形形状。

　　2　与接收脉冲信号有关的物理量

　　激光测高仪接收信号的过程可概述为:从激光器发出的脉冲,在不考虑大气对脉冲影响的情况下,入射到目标的表面;经过目标表面的漫反射后,进入接收望远镜的视场;通过探测器的光电转换作用、滤波器的低通滤波和数字仪的量化过程,最终获得测高仪的接收信号。因此,激光测高仪接收信号的波形分布,不仅与发射脉冲信号有关,而且与光斑内的目标分布及探测/接收器件有关。

　　典型的激光测高仪系统通常由三大部分组成:发射系统、接收系统和定姿定位系统。其中,与接收脉冲信号有关的是发射和接收系统两部分。

　　2.1　发射光源

　　目前,测高仪系统上使用的激光器通常是调QNd∶YAG固体激光器,其输出光的波长为1064 nm(近红外),正好是大气的透过窗口。同时输出光在空间和时间上都满足高斯分布

　　其中,I(r)为距离光束中心r处的激光发射强度,P(t)为在t时刻的激光发射功率,d = ztanθT为光斑直径,z为激光沿光轴方向传输的距离,θT为光斑中心能量1/ 处的光束发散角,r为光斑内的点到光斑中心的距离,E为发射激光的单脉冲能量,δ为发射脉冲的均方根宽度。

　　2.2　光斑内的目标模型

　　测高仪发射光斑内的目标模型较为复杂,通常的处理方法,都是将目标近似看成若干线性平面以及微小起伏的叠加。Gardner等在讨论卫星激光测高仪性能[5]时,就曾经做过这样的近似。