大气环境监测卫星激光雷达技术

星载激光雷达是高精度测量全球大气CO2柱浓度和气溶胶垂直廓线的重要手段，大气环境监测卫星大气探测激光雷达(ACDL)在一套激光雷达中集成了2种探测体制，采用1 572 nm积分路径激光差分吸收方法测量全球CO2柱浓度，采用532 nm高光谱探测(HSRL)方法测量气溶胶和云的垂直廓线，均为国际首次在星载平台成功验证，是国际首个星载CO2探测激光雷达和国际首个高光谱气溶胶探测激光雷达。在国际已发射的星载激光雷达中，ACDL激光雷达是探测体制最全、波长最多、能量最高、频率最稳和精度最准的激光雷达，实现了创新跨越。大气探测激光雷达在轨连续工作，首次获得了全天时精度优于1 ppm的全球CO2柱浓度、精度优于20%的气溶胶廓线等遥感数据。本文介绍了ACDL激光雷达的工作原理、系统参数以及相关的定标测试结果。     

多功能大气探测激光雷达应用

激光雷达具有高的时间和空间分辨率、优越的方向性和相干性、高的探测精度和实时快速的数据获取能力，已经被广泛应用于大气探测、环境监测等领域。随着技术的发展，大气探测激光雷达由最初的单波长、单功能朝着多波长、多功能方向发展，技术更加成熟，操作更加方便。本文将介绍大气探测激光雷达的基本原理，及其在探测大气气溶胶和云、水汽、温度、污染物和大气边界层高度等方面的数据应用。最后，对多波长多功能大气探测激光雷达的数据应用发展进行了总结和展望。     

基于多波束偏振探测体制的星载云-气溶胶探测雷达设计和仿真

星载激光探测载荷具有云、气溶胶垂直廓线的探测能力。国内外已有的载荷,例如美国Calipso卫星的Caliop雷达、国内“句芒号”卫星的多波束激光雷达和大气污染监测卫星的大气探测激光雷达,为单波束云-气溶胶探测,单次探测区域较窄。提出了多波束云-气溶胶探测激光雷达系统,该系统工作于800 km卫星轨道,采用多波束探测体制,扩展雷达的探测幅宽到30 km,中心波束采用双波长偏振探测获取大气气溶胶、云的垂直廓线和粒子种类,边缘波束采用单波长探测获取云垂直廓线,可极大地提高数据获取效率。采用单光子探测和模拟探测结合的探测方式,模拟探测保证探测的动态范围,单光子探测具有极高的探测灵敏度,降低雷达所需的激光能量,降低雷达的重量和功耗。最终通过模拟仿真,验证了星载多波束云-气溶胶探测雷达对典型云、气溶胶的探测效果。     

星载激光雷达森林探测进展及趋势

森林是陆地上组成结构最复杂的生态系统,星载激光雷达兼具高垂直分辨率的优势和大范围数据获取的特点,在大区域尺度的森林参数定量反演方面具有独特的优势。从全波形激光雷达、光子计数激光雷达、成像激光雷达的技术特点、数据处理和森林参数提取等方面,总结了国内外森林探测激光雷达卫星载荷的发展、参数设置及应用潜力,以服务我国星载激光雷达森林探测系统的建设和发展。结合激光雷达辐射传输模型,探讨适合森林探测的激光雷达传感器参数方案,并以ICESat卫星的地球科学测高系统(GLAS)和先进地形激光测高系统(ATLAS) 数据为例,探讨星载激光雷达的森林参数反演方法,最后总结梳理了现有星载载荷的优劣并给出后续载荷发展的建议。     

星载大气探测激光雷达技术与应用

本文对国内外星载大气探测激光雷达的原理、技术和应用等情况进行了分析和归纳。星载大气探测激光雷达的发展,是科学需求、探测理论、硬件技术、应用能力波浪式推动和迭代的过程,具有弱周期性。在云和气溶胶方面,多波长、高光谱分辨结合偏振的综合探测将为科学研究提供更精细的微观信息,而小型化微脉冲激光雷达则为星座探测提供了技术基础。在大气成分方面,积分路径差分吸收技术将能提供更精确的数据。激光雷达是对其他遥感系统的有效补充,更加注重廓线探测、空间分辨和测量精度,在水平覆盖、探测效率等方面存在天然不足,激光雷达与其他遥感手段结合,才能构建更加科学的观测体系,为科学研究和遥感应用提供更有力的支撑保障。     

天基逆合成孔径激光雷达高灵敏度接收技术

逆合成孔径激光雷达(ISAL)是一种主动式成像雷达,是合成孔径技术和激光雷达技术相结合的产物,具有极高的成像分辨率。由于无大气干扰,因此天基成像的环境十分有利于ISAL系统的部署,然而探测灵敏度不够,难以实现远距离探测的问题极大地制约了天基ISAL系统的应用。针对这一难点,提出使用高灵敏度相干平衡探测实现ISAL的空间远距离探测,计算了ISAL平衡探测的信噪比。在此基础上,提出了一种基于频率上转换的高灵敏度平衡探测接收方法,即信号光和本振光先经过频率上转换,再进行平衡探测,并实验验证了该方法的可行性。     

多波束三维成像激光雷达高精度收发匹配方法研究

三维成像激光雷达技术为空间地理信息获取、目标立体探测提供了新的技术途径。以多波束并行收发、单光子阵列探测为特征的新一代三维成像激光雷达可提升雷达探测灵敏度、激光成像帧频与成像效率，从而实现远距离快速激光三维成像。三维成像激光雷达的激光发散角与接收视场需角秒量级的匹配精度。随着系统波束数量的增加，几十甚至上百波束的高精度收发波束匹配是系统设计装调的难点。聚焦多波束单光子阵列三维成像激光雷达的收发匹配难题，设计了基于衍射分束激光发射与光纤阵列接收的收发光学系统，提出了一种多波束激光雷达收发波束匹配方法，并对该方法的收发匹配误差源以及温度对其影响进行了详细分析仿真。实验验证结果表明，可实现64波束优于10 μrad的匹配误差，在工作温度范围内总的收发失配优于20.78 μrad，满足本系统设计时25.5 μrad的收发匹配裕量，系统对环境温度有较好的适应性，具有良好的工程应用前景。     

空间主动光电遥感现状及发展

空间主动光电遥感技术在空间对地观测和深空探测等领域具有广阔的应用前景,探测对象包括地球和地外天体三维地形、地球植被垂直分布、大气气溶胶与云的垂直分布、大气温湿廓线、大气风廓线和特殊气体浓度等。为系统梳理空间主动光电遥感技术,综合分析了国内外空间主动光电高程探测载荷和大气垂直廓线探测载荷的发展历史和现状,提出了未来我国在多波束单光子三维地形探测、高光谱分辨率激光大气探测、差分吸收激光大气探测、激光掩星大气探测和激光海洋探测领域开展更深入研究的建议。     

星载光子探测激光雷达指向调整机构的理论分析

针对星载光子探测激光雷达在小接收视场及低背景噪声的应用条件和在轨高精度收发同轴匹配的需求,文章提出利用精密光束指向调整机构,实现星载光子探测激光雷达在轨实时调整收发同轴。重点介绍了基于柔性铰链支承的二维精密光束指向调整机构及其在激光雷达上的应用情况;基于在二维精密光束指向调整机构指向镜中心建立的空间坐标系及反射定律矢量表达式,推导了二维光束指向调整机构的出射光束方向与指向镜偏转角度关系式;分析获得了出射光线扫描范围与入射角的关系及出射光线偏转角度与指向镜偏转角的关系式;揭示了在轨收发同轴调整时指向镜偏转角度的计算方法以及二维光束指向调整机构的扫描行程计算公式和扫描角度分辨率计算公式。为精密光束指向调整机构的关键部件的设计选型及误差分析提供一定的依据,对后续星载光子探测激光雷达的收发匹配设计有一定的参考意义。     

大气探测激光雷达组网观测一致性研究

通过激光遥感获取气溶胶、云垂直分布情况，对研究气溶胶、云微物理特性、辐射强迫效应以及污染物传输等具有重大意义。在实际应用中激光雷达受激光器能量、发散角以及透过率等影响，会导致各雷达面对同一目标物探测数据不一致。随着地基大气探测激光雷达逐步规模化、标准化，对雷达组网观测一致性开展研究具有重要意义。为保证组网激光雷达数据高质量和高可靠性，在雷达系统自标定基础上，利用太阳光度计、大气分子模型获取激光雷达系统常数，确保各激光雷达回波信号定量可比。通过激光雷达组网观测进行探测目标一致性比对试验，以验证激光雷达系统探测一致性精度。结果表明：标定后，532 nm距离修正信号在1~2 km区间相对偏差从64.89%降低到22.16%，在2~5 km区间相对偏差从49.26%降低到8.90%，在9.5~11.5 km相对偏差从46.83%降低到10.91%；532 nm退偏比在1~2 km区间相对偏差从69.68%降低到20.68%，在2~5 km区间相对偏差从71.24%降低到6.69%，在9.5~11.5 km相对偏差从140.24%降低到9.02%；532 nm后向散射系数在1~2 km区间相对偏差从37.45%降低到23.63%，在2~5 km区间相对偏差从29.15%降低到21.45%，在9.5~11.5 km相对偏差从76.02%降低到24.16%。组网激光雷达数据结果一致性较好，可在多站点进行高精度探测，在气候变化研究、碳排放监测和环境研究等领域发挥重要作用，为大规模大气变化规律研究提供高质量、有效数据。     

脉冲展宽对深空激光通信的影响与补偿研究

深空激光通信系统下行链路的脉冲位置调制PPM（Pulse Position Modulation）信号在经过大气信道传输和单光子探测器接收时,将出现脉冲展宽效应,引起通信系统性能下降。分析了大气信道中的淡积云云层散射、大气湍流与气溶胶散射和单光子探测器的抖动特性所引起的脉冲展宽效应。在此基础上,仿真分析了淡积云云层物理厚度对不同PPM调制阶数下通信速率的影响,并研究了单光子探测器引起的脉冲展宽产生的抖动损失。为补偿脉冲展宽的影响,提出了一种基于时隙似然比解调的补偿方法,通过仿真验证了该方法能够有效降低深空PPM激光通信链路中脉冲展宽对通信误码率的影响。该研究对分析和提升深空PPM激光通信系统的链路性能具有一定的参考意义。     

美国云和气溶胶星载激光雷达综述

气溶胶的探测,尤其是全球范围内气溶胶的探测,不仅对预测未来气候的变化有重要帮助,而且可以对遥感图像的大气校正提供重要大气参数,而星载激光雷达则是实现全球气溶胶探测的最有效的手段。美国是星载激光雷达的先行者,在气溶胶探测方面,它先后实施了LITE和CALIPSO两项计划。LITE试验的成功,验证了天基激光雷达的可行性,而CALIPSO上激光雷达CALIOP的在轨正常运行,则实现了星载激光雷达的应用。文章着重介绍和评述了美国云和气溶胶星载激光雷达的发展、收发装置以及观测结果等。     

星载激光雷达高精高稳探测卫星系统保证技术

激光雷达探测精度高,具备全天时工作和垂直探测能力,在大气环境天基遥感领域应用广泛。基于CO_2柱线浓度激光遥感探测原理,分析了积分路径差分吸收星载激光雷达测量系统的激光波长、能量精度和稳定性及光轴指向精度等关键指标要求和功能模块配置,重点开展了星载激光雷达光机头部稳定安装、良好机热环境保障及星敏载荷一体化布局等整星层面系统设计保证,仿真结果初步表明设计方案可行。同时,提出了激光雷达波长、能量精度及稳定性实时监测、卫星对地光轴指向高精度测定和星地载荷光轴指向测量误差标定的地面试验验证要求,以确保系统设计的有效性,为激光雷达遥感卫星的研制提供了技术参考。     

The spaceborne lidar experiment

Lidar is one of the key sensors to understand global atmospheric environment, so lidar is one of the candidates to be flown on future earth observation satellites. But spaceborne lidar is our first trial and we have some technical issues to resolve before establishing operational sensor. So we start development of the Spaceborne Lidar Experimental Model as a first step of lidar program of NASDA. The Spaceborne Lidar Experimental Model will be launched in early 2001.

The purpose of the Spaceborne Lidar Experiment is technological demonstration of system design and critical components to apply to future operational sensor. And we demonstrate availability of lidar observation data and scientific value.

There are some critical points to resolve such as (1) thermal design of laser oscillator which remove locally-generated-heat effectively and (2) mirror design with little distortion.     

基于IM/DD体制的星间激光通信测距技术

随着当前低轨卫星组网星座计划的日益增加，对卫星间高精度校时、测距需求也越来越迫切。提出基于直调直检IM/DD（Intensity Modulation with Direct Detection）的测距技术的实现方法，使其能同时兼顾测距精度及系统成本。基于IM/DD的测距是利用高精度的秒脉冲到达时间来测量距离。使用IM/DD光通信的数据传输方式，在正常的数据帧传输中插入少量的测距信息，无需中断正常的通信模式，也无需网络时钟频率同步，数据帧的发送周期也无需与秒脉冲保持同步关系，即可使用双向单程测距方法进行测距。使用秒脉冲对本地时钟进行频率测量，对测距过程参数进行修正，只需要采用普通晶体振荡器作为本地时钟源，不需要使用高精度测距通常所需的全网络同步时钟信号或者高稳定度时钟源，便可以达到IM/DD通信码元时间量级的测距准确度和精确度，同时降低了时频同步系统的复杂度、对元器件的要求以及整个通信测距系统的成本，解决了现有技术中测距精度及系统成本不易同时兼顾的问题。     

激光雷达系统仿真软件

从激光雷达约束条件入手 ,研究了通用激光雷达仿真模型 (GL M) ,其中包括大气传输模型、探测器噪声模型、发射与接收模型、目标反射数据库。着重分析、讨论了各种天气和系统条件下 ,对激光雷达性能的影响。根据模型 ,研制了通用仿真软件 ,最后给出了计算机仿真结果。     

跨传感器异步迁移学习的室内单目无人机避障

针对强化学习策略由仿真环境向实际迁移困难的问题,以提高无人机采用无深度信息单目视觉时的行人规避能力为目标,提出一种基于异步深度神经网络结构的跨传感器迁移学习方法。首先,在仿真环境中仅使用虚拟单线激光雷达作为传感器,通过基于确定性策略梯度(DDPG)的深度强化学习方法,训练得到一个稳定的初级避障策略。其次,用单目摄像头和激光雷达同步采集现实环境中的视觉和深度数据集并逐帧绑定,使用上述初级避障策略对现实数据集进行自动标注,进而训练得到无需激光雷达数据的单目视觉避障策略,实现从虚拟激光雷达到现实单目视觉的跨传感器迁移学习。最后,引入YOLO v3-tiny网络与Resnet18网络组成异步深度神经网络结构,有效提高了存在行人场景下的避障性能。     

基于层次化分类器的遥感图像飞机目标检测

在大量航空航天遥感图像中,快速发现和统计飞机目标并对其进行准确定位,在军事和民用方面均具有重要意义。结合遥感图像特点,针对飞机目标的特征,文章设计了一种基于层次化的分类器的遥感图像飞机目标检测方法。首先用基于哈尔（Haar）特征的底层AdaBoost分类器快速去除大部分非目标区域;然后用基于梯度方向直方图（Histogram of Oriented Gradient,HOG）特征的顶层支持向量机（Support Vector Machine,SVM）分类器进行精细检测。在分辨率为1m的遥感图像数据集上的实验结果表明,层次化分类器在保证较高检测率的前提下,大大降低了虚警率,可以有效解决遥感图像飞机检测问题。