针对星载单光子激光有效回波信号混杂于噪声中难以区分的问题, 提出一种基于统计直方图两步法的星载单光子数据去噪方法。先后采用沿轨小窗口直方图粗去噪与距离平方统计直方图精去噪, 实现星载单光子回波数据中的噪声光子有效剔除。利用该方法对美国星载单光子激光雷达先进地形激光测高系统(ATLAS)的强与弱波束、白天和夜间、平地与山地 3种典型情况下的回波光子数据进行实验, 结合 ATLAS官方去噪结果, 基于混淆矩阵统计去噪精确度。实验结果表明, 强波束数据去噪精确度为 98.86%, 弱波束数据去噪精确度为 96.94%; 夜间数据去噪精确度为 99.02%, 白天数据去噪精度为 98.86%; 山地数据去噪精确度为 96.28%, 平地数据去噪精确度为 96.94%。说明本文方法适用于常见的以上 3种典型情况下的星载单光子数据去噪。

通过对地球科学激光测高系统(Geoscience Laser Altimeter System, GLAS)波形数据进行高斯分解, 提取精确的波形特征信息, 计算出GLAS波形数据激光穿透指数(LPI), 基于LPI提出GLAS数据反演叶面积指数(LAI)的新方法, 建立了GLAS数据反演森林LAI的模型(R2=0.84, RMSE=0.64), 并用留一交叉验证法(LOOCV)对反演模型的可靠性进行了验证, 结果表明, 该模型没有过度拟合, 具有很好的泛化能力, 最后通过人工神经网络融合GLAS与TM(Thematic Mapper,专题制图仪)遥感数据实现区域尺度森林LAI反演, 用25个实测LAI对反演精度进行了验证, 研究表明反演LAI与实测值较为接近, 精度较高(R2=0.76, RMSE=0.69), 为生态环境研究提供精确的输入参数, 为GLAS数据大区域高精度LAI反演提供新的方法和思路.

星载激光测高仪的回波时间重心和脉冲宽度等系统参数对常见海态条件下的测距和反演精度有重要影响。本文根据菲涅尔衍射理论、海洋表面镜面反射理论、海洋波高和斜率统计特性以及激光测高仪回波误差理论, 推导并更正了激光测高仪海洋回波光子数表达式。首次完整推导出了影响海洋回波重心和脉宽因素的表达式, 证明了回波参数主要受发射脉冲宽度、测量天底角、指向角抖动和海洋表面上方风速的影响。除风速为表面特性影响外, 其余为系统参数影响。结合地球科学激光测高系统(GLAS)参数对其海洋回波的测距和脉宽精度做了定量分析, 得出不同风速GLAS的海洋表面单回波测距误差为2~15 cm, 脉宽标准差为0.5~3.5 ns。推导结果对优化设计用于海洋表面测量的星载激光测高仪系统参数、提高回波反演目标特性精度很有意义。

星载激光测高仪通过测量从卫星平台发射的激光脉冲在卫星与地面激光脚点之间的渡越时间计算两者之间的距离。由于光束经过大气层时发生的折射,导致卫星激光测高系统典型的与大气延迟相关的测距误差在数米量级。讨论了大气折射延迟修正的理论与方法,分析比较了各种大气折射率模型,以全球首个对地观测星载激光测高仪系统GLAS系统为例,给出了各种折射率模型的计算偏差,发现在常见温度和湿度范围内Owens375模型是一种精度较高的简化折射率模型;计算了GLAS系统高度角偏离天顶方向不超过10°的情况下,使用简单映射函数与CfA2.2映射函数模型的值,发现其差异不超过0.5 mm。

不同地表目标的模拟回波波形对测高仪系统参数设计具有重要意义，而海洋回波参数在Tsai之后很少被研究。根据菲涅耳衍射理论、海洋表面镜面反射性质以及海洋表面波高和斜率的统计规律，推导出与Tsai结果不同的近天顶方向入射时星载海洋测高仪探测器输出的回波解析表达式和回波总光子数；并用该推导结果建立了适用于激光测高仪亚毫弧度量级发散角的回波解析式。将模拟波形与地球科学激光测高系统(GLAS)真实海洋回波做对比，其能量、脉宽、振幅和形状都非常接近，误差均小于6%；分析得出海洋测高仪回波与测高系统参数和海平面上方平均风速有关，以GLAS参数为例，在风速大于12 m/s的条件下将很难收到有效海洋回波。该结论对海洋激光测高仪的系统设计参数及海平面上方风速的反演提供了重要的理论依据。

介绍了作为天基系统重要遥感遥测手段的星载激光测高仪(或称为测距仪)的发展现状以及星载激光测高仪关键技术,比较了具有代表性的几个星载激光测高仪系统的主要技术参数.