基于无源目标的星载激光测高仪足印定位方法
专利汇可以提供基于无源目标的星载激光测高仪足印定位方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 提出基于无源目标的星载激光测高仪足印 定位 方法及系统，是一种在平坦地形区域，通过在平坦地形区域布设 角 反射器 阵列对被测目标回波进行标记的方式，解决平坦地形区域回波 信号 相似性高的问题，使得在平坦地形区域可通过 波形 分析的方式实现对测高仪足印的高 精度 定位，并最终实现对测高仪解算的足印 位置 的真实性检验，所述方法包括：角反射器口径的设计、角反射器布设方案、CCR 能量 等高线圆的提取、基于最陡下降法的足印中心提取，所述系统包括：CCR口径计算模 块 、CCR布设方案模块和基于CCR的足印定位模块。本发明技术方案使得在平坦地形区域也能通过波形分析的方式实现对测高仪足印的定位。，下面是基于无源目标的星载激光测高仪足印定位方法专利的具体信息内容。
1.基于无源目标的星载激光测高仪足印定位方法，通过在平坦地形区域加入角反射器对回波波形进行标记，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、角反射器(Corner Cube Retroreflector,CCR)口径的设计
CCR口径大小直接影响其对波形标记作用的性能，是CCR设计中最关键的参数，实现如下：
公式(1)中：α为口径设计的最佳比例取值，λ为星载激光测高仪发射激光脉冲信号的波长，单位为米，ω为通过速差效应确定的速差角，单位为弧度；
步骤2、角反射器布设方案
至少3个CCR能量等高线圆相交才能唯一确定足印位置，因此，角反射器布设应使得单个足印范围内，至少覆盖3个CCR，实现如下：
2 2
d＝4R/5 (2)
公式(2)中：d为CCR布设间距，单位为米，R为足印半径，单位为米；
步骤3、CCR能量等高线圆的提取
CCR在激光足印内的位置决定其反射回的标记信号强度的大小，由此可知，通过带标记信号的回波波形得到CCR反射的能量后，可以确定CCR距离光斑中心的距离，此时，符合距离光斑中心r的位置应是一个圆环，实现如下：
公式(3)中，(a，b)为CCR的位置，(x，y)为足印中心位置，z为卫星轨道高度，单位为米，θT为测高仪激光发散角，单位为弧度，A为与测高仪系统参数及环境参数相关的乘常数，无量纲，Qdet为通过带标记信号的回波波形得到的CCR反射能量，单位为焦耳；
步骤4、基于最陡下降法的足印中心提取
通过带标记信息的激光回波获取每个CCR对应的反射能量后，可以计算出其对应的能量等高线，每个CCR可以绘制出一个以当前CCR为圆心，半径由CCR反射能量决定的圆环；由单个CCR圆环无法反算光斑中心位置，但当多个CCR被击中时，理论上激光光束中心应位于所有被击中CCR绘制的等高线圆的交点位置，实现如下：
根据公式(4)通过最陡下降法迭代收敛至光斑中心位置。
2.基于无源目标的星载激光测高仪足印定位系统，其特征在于，包括以下模块：
模块1、CCR口径计算模块，实现如下：
CCR口径大小直接影响其对波形标记作用的性能，是CCR设计中最关键的参数，当激光脉冲信号击中CCR后，CCR反射的信号强度可近似通过夫琅禾费圆孔衍射公式进行确定，夫琅禾费圆孔衍射在距离z处的能量分布计算公式如下：
式(5)中Einput为入射到CCR上的激光能量空间密度，单位为J/m2；a为CCR的半径，单位为米；D为CCR的面积，单位为平方米，即D＝πa2；J1(kaω)为一阶贝塞尔函数；k为波数，单位为m-1，夫琅禾费圆孔衍射远场衍射图样的中心区域具有最大的亮斑，亦称：艾里斑，其对应的衍射半角满足0.61λ/a，即艾里斑大小与衍射半径a成反比，CCR反射的中央艾里斑应位于激光测高仪接收孔径内；当CCR半径a增大时，虽然反射信号总能量增加，但是会导致艾里斑变小，从而可能使得测高仪接收的CCR回波信号来自衍射图样外层亮环，而不是中央艾里斑，增加测高仪探测系统的探测难度；因此，应通过减小CCR半径a达到增大艾里斑束散角的效果，使得艾里斑衍射半角大于速差角，从而保证测高仪探测到的CCR反射信号来自中央亮斑，此即速差效应衍射补偿法；
由式(5)可知，当衍射半径a减小时，大括号[]之内项增大，即相对能量提高，但是大括号[]之外的项减小，即中心强度降低，所以存在某一衍射半径a，使得式(1)取极大值，即CCR设计的最佳尺寸a；对式(5)求微分，并取零值，且a<0.61λ/ω，即：
根据贝塞尔函数的性质，在a＝0.6π/kω或1.2π/kω时式(6)为零，即，a＝0.3λ/ω或a＝0.6λ/ω，而后者位于艾里斑边缘位置，不符合条件，因此当衍射角通过速差角确定后，角反射器的最佳半径满足如下公式(7)时，到达远场衍射接收屏的激光能量最大；
模块2、CCR布设方案模块，实现如下：
由于单个CCR被击中时无法获取激光光斑中心的位置，需要通过多个CCR被击中时形成的能量等高线圆环交点来确定光斑中心；因此，在设计CCR布设时，首先应满足至少有3个以上CCR被击中才能确定唯一的交点；其次，由于每个被击中CCR的安置高度需要是唯一的，才能独立提取该CCR对应的能量等高线圆环，因而不能有过多CCR被击中，导致波形无法分辨每一个CCR的子回波；所述CCR设定为等间距的网格节点进行布设；6个CCR正好位于2sigma光斑范围的边缘，所述2sigma包含约95％的光斑总能量，即R＝2z·tanθT，由此保证2sigma光斑范围内击中的CCR个数在4～6之间，且绝大多数情况为4个，只有极少数特例击中5个或
6个，满足光斑定位提取的要求；此时，
d2＝4R2/5 (8)
模块3、基于CCR的足印定位模块，即用带标记信息的回波波形信号，提取CCR能量等高线圆，根据等高线圆基于最陡下降法对足印进行定位，实现如下：
由激光测高仪发射的基模激光脉冲，在到达地表时，其光束能量密度分布Einput(r,z)在空间上满足二维高斯分布，单位为J/m2，通常表示为式(1)，式中r为到光斑中心的距离，Qtrans为激光发射脉冲能量，单位为焦耳，z为测高仪轨道高度，单位为米，θT为光束发散角，单位为弧度；当测高仪轨道高度或平面位置离光束中心较远时，空间能量密度将减小，计算公式如下：
由于用于激光测高仪光斑中心提取的CCR半径只有不到1cm，且面积只有约1cm2，相对于几十米量级的卫星激光地面足印光斑相差几个数量级，因此可以认为入射至单个CCR的激光能量分布是均匀的，将式(9)代入式(5)，可以得出激光测高仪接收探测器所接收的单个CCR反射信号能量关系式如下：
式(10)中的η表示所有硬件系统和大气环境综合影响的乘常数项，包括：大气透过率，光学系统透过率，光电探测器转换效率，电路增益，AR为接收望远镜面积，单位为平方米，每个CCR反射形成的激光子回波相对能量可以通过子回波的覆盖面积得出，代入激光测高仪的系统参数、大气环境参数和CCR参数，计算出激光子回波绝对能量信息，对于给定的激光测高仪系统，式(10)中的器件参数包括：激光波长λ，单位为米，激光波数k，单位为m-1，激光发散角θT，单位为弧度，激光出射能量Qtrans，单位为焦耳，轨道高度z，单位为米，乘常数项η，所述乘常数项η是可通过实时测量得到的大气透过率值，以及为测高仪系统设计的CCR参数，包括：CCR半径a、CCR反射面积D、速差效应补偿衍射角ω，即所述乘常数项η是已知的，但CCR距离光束中心的平面距离r是未知的，因此，设定式(6)中除高斯函数之外的前两项合并为一个乘常数A；由此，式(10)简化为：
其中
根据式(11)，通过对当前CCR反射回激光测高仪的能量Qdet，以及前述系统和环境参数，计算出当前CCR在地面布设时到光斑中心的距离r，且依据据二维高斯函数的性质，符合距离光斑中心r的位置应是一个圆环，所述圆环类似于一个等势能线或者等高线，即表示为式(12)，使用单个CCR无法判别光斑中心的方位角，不能达到定位光斑中心的效果；
CCR反射的激光脉冲与地表反射的激光脉冲同时叠加在回波波形中，控制CCR布设高度差异大于等于1m，即不同CCR反射的激光子回波脉冲中心在波形中相距7ns以上，对于发射脉冲宽度小于3ns的激光测高仪系统，如：GLAS的发射脉冲宽度约2.7ns，GF-7的发射脉冲宽度约3ns，不同CCR反射形成的激光子回波可以独立提取；此时，利用回波波形提取每一个被击中CCR反射的子回波能量Qdet，计算出该CCR到光斑中心的距离r，进而根据式(12)绘制出该CCR对应的能量等高线圆环；
通过激光回波获取每个CCR对应的反射能量后，根据式(12)计算出其对应的能量等高线，每个CCR可以绘制出一个以当前CCR为圆心，半径由CCR反射能量决定的圆环；由单个CCR圆环无法反算光斑中心位置，若当多个CCR被击中时，激光光束中心即位于所有被击中CCR绘制的等高线圆的交点位置；
依据公知的两个相交圆有两个交点，三个以上相交圆可确定唯一交点概念，受到包括：
CCR单体反射率差异、光束传播路径投射率差异、反射激光能量提取算法误差的误差影响，还有多个等高线圆可能出现交点不唯一的情况；此时，三个以上相交圆将会出现冗余观测量，此时通过最优化方法抑制随机误差，提供光斑中心估计的准确性；在没有所述误差影响的理想情况下，激光光斑中心位置与所有被击中CCR的距离等于每个CCR对应的等高线圆半径；为抑制随机误差影响，设定所述激光光斑中心位置与所有被击中CCR的距离与每个CCR对应的等高线圆半径差异绝对值的总和最小，或接近于零值，则将取得最优解，即满足如下式(13)：
式(13)中，x和y为最优化的光斑中心平面坐标，ai和bi为第i个被击中CCR的平面坐标，ri为第i个被击中CCR对应能量等高线圆半径，单位为米，n为被击中的CCR总数；
式(13)等价于式(14)，根据式(14)，计算光斑中心平面坐标问题转换为类似最小二乘的最优解问题，可以通过计算x和y方向的偏微分方程，通过最陡下降法迭代收敛至光斑中心位置；
式(14)中，G(x,y)对应的偏微分方程如式(15)和(16)所示，对x和y偏微分分别给出了其在x和y方向的收敛步长；因为光斑中心在多个被击中CCR的中间区域，因为迭代初始值可以取所有被击中CCR坐标的均值，如式(17)所示；由于光束中心应位于被击中CCR的收敛区内，为防止在迭代过程中步长过大，穿越至收敛区外，在收敛过程中加入阻尼系数，第1次迭代的阻尼系数damped index(1)＝0.3，第k次迭代的阻尼系数为damped index(k)＝0.3×
0.95k，那么迭代步长为：
在迭代收敛过程中，当x和y方向上的收敛步长都小于0.1m时，则认为迭代结束，收敛到极值点位置，即激光光斑的中心坐标。
基于无源目标的星载激光测高仪足印定位方法
技术领域
背景技术
发明内容
具体实施方式
0.1m时，则认为迭代结束，收敛到极值点位置，即激光光斑的中心坐标。
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