红外与激光工程
2022, 51(10): 20220003
张鑫磊 1,2,3,*徐青 1,2,3邢帅 1,2,3高铭 1,2,3[ ... ]王晋 1,2,3
1 战略支援部队信息工程大学地理空间信息学院，河南 郑州 450001
2 智慧中原地理信息技术河南省协同创新中心，河南 郑州 450001
3 时空感知与智能处理自然资源部重点实验室，河南 郑州 450001
针对我国对星载激光雷达的研究还不够充分，拟开展光学遥感影像和星载激光雷达混合源摄影测量研究。通过对星载激光雷达光子数据进行数字高程模型（DEM）面积元轨迹匹配，建立激光测高点轨迹与遥感影像生成数字表面模型（DSM）间的对应关系。将筛选后地面光子与高分辨率光学遥感影像进行联合区域网平差，并基于顾及激光测高点坐标误差的迭代求解方法，实现卫星遥感影像立体定位精度的提高。星载激光雷达数据ATL03、高分七号（GF-7）和天绘三号（TH-3）卫星遥感影像用于验证该方法的性能。实验结果表明，本文方法可以有效提高无地面点控制下卫星遥感影像立体定位精度，高程精度可达1.258 m。
遥感 星载激光雷达 卫星遥感影像 联合平差 数字高程模型匹配 ICESat-2 光学学报
2022, 42(24): 2428001
1 浙江大学 宁波研究院 光电科学与工程学院，浙江 杭州 310027
2 浙江大学 海洋学院，浙江 舟山 316021
3 浙江省计量科学研究院，浙江 杭州 310018
颗粒物后向散射系数(particulate backscattering coefficient, bbp)是海洋光学应用于海洋生态学和生物地球化学研究的核心参数。但目前常用的原位方法短时间内无法完成大范围的探测，被动水色遥感无法在缺乏光照以及有云的条件下工作，相比之下，主动遥感方式星载激光雷达可以突破以上限制，在海洋探测方面具有极大的优越性。2006年发射的CALIOP成为首个能够提供全球海洋bbp数据的星载激光雷达，特别是为极地观测和昼夜观测提供了重要数据。文中详细介绍了CALIOP系统原理及其三级主要数据产品，重点梳理了利用CALIOP 532 nm偏振通道退偏比反演bbp的方法以及后续的退卷积校正系统瞬态响应等改进措施，总结出了一套详细完整的反演流程，开发出对应算法并展示了bbp的反演结果，旨在为我国未来星载海洋激光雷达的数据处理及应用工作提供参考。
星载激光雷达 CALIOP 海洋颗粒物后向散射系数 反演算法 space-borne lidar CALIOP seawater particulate backscattering coefficient inversion method 红外与激光工程
2021, 50(6): 20211037
红外与激光工程
2020, 49(11): 20200259
1 北京空间机电研究所，北京 100094
2 先进光学遥感技术北京市重点实验室，北京 100094
3 中国空间技术研究院空间 激光信息感知技术核心专业实验室，北京 I00094
4 东北林业大学 森林作业与环境研究中心，黑龙江 哈尔滨 150040
5 中国林业科学研究院资源信息研究所，北京 100091
林业测量调查是星载激光遥感的重要应用方向。迄今为止，国外发展了多台套的星载激光载荷已经用于林业遥感。国内资源三号（02）星搭载的激光测距仪实验载荷实现了我国星载激光对地观测的突破，即将发射的陆地生态系统碳监测卫星多波束激光雷达也将在林业遥感中取得重要应用。ICESAT-1/GLAS系统全波形数据成功用于全球林地垂直结构调查，ICESAT-2/ATLAS系统以光子探测的方式获取林地点云调查数据，星载激光遥感林业应用从实验、演示验证、进入实用阶段。这期间多型星载激光雷达经过了技术体制的选择、参数的优化，器件技术和处理技术的突破。本文综述了主要在轨服务林业遥感的星载激光雷达的配置和数据应用，研究了星载激光雷达林业遥感的探测机制、技术体制、应用现状、适用范围等，分析总结了各类星载激光雷达林业应用技术特点、发展演化趋势，提出星载激光雷达载荷研制应根据任务应用需求、科学和工程目标，充分发挥激光技术长项，与其他载荷手段优化配置，扬长补短，展望了星载激光雷达林业遥感技术和应用的发展趋势、研究热点及其应用拓展。
星载激光雷达 林业 遥感 发展研究 space-borne LiDAR forestry remote sensing development study 红外与激光工程
2020, 49(11): 20200235
1 中国科学院合肥物质科学研究院 安徽光学精密机械研究所 中国科学院大气光学重点实验室，安徽 合肥 230031；中国科学技术大学研究生院 科学岛分院，安徽 合肥 230026；先进激光技术安徽省实验室，安徽 合肥 230037；皖西学院 机械与车辆工程学院，安徽 六安 237012
2 中国科学院合肥物质科学研究院 安徽光学精密机械研究所 中国科学院大气光学重点实验室，安徽 合肥 230031；中国科学技术大学研究生院 科学岛分院，安徽 合肥 230026；先进激光技术安徽省实验室，安徽 合肥 230037
气溶胶辐射强迫效应主要通过气溶胶与辐射相互作用(aerosol-radiation interaction, ARI)和气溶胶与云相互作用(aerosol-cloud interaction, ACI)两种途径来影响地球辐射收支平衡，联合国气候变化政府间专家委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)在第五次报告指出，气溶胶与云的相互作用是最主要的不确定性辐射强迫因子之一。在云–气溶胶全球探测领域中，星载云–气溶胶遥感雷达的探测能力与发展方向对研究者们研究全球云–气溶胶分布特点越来越重要。首先对星载云–气溶胶遥感雷达技术的应用现状进行了分析，并针对典型星载云–气溶胶激光雷达（激光雷达空间技术实验LITE、正交偏振云–气溶胶激光雷达CALIPSO、云–气溶胶传输系统CATS、大气激光雷达ATLID）的探测任务、光机系统参数、结构及材料等技术特点进行了详细的分析研究；其次从工作机制、光机系统结构、应用材料和探测能力等方面对各星载云–气溶胶激光雷达系统特点进行了对比，提出星载云–气溶胶激光雷达光机系统结构设计特点与方法；最后分析了当前星载云–气溶胶激光雷达系统技术特点及发展方向，为我国发展星载云–气溶胶激光雷达提供技术方向及发展建议。
地球辐射 星载云–气溶胶激光雷达 遥感技术 光机结构 Earth’s radiation space-borne lidar for cloud-aerosol remote sensing technology opto-mechanical structure 红外与激光工程
2020, 49(8): 20190501
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所大气光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
3 中国环境监测总站, 北京 100012
星载云-气溶胶激光雷达可精确获得全球云-气溶胶探测数据,利用干涉仪 窄带滤波器来探测大气中的云和气溶胶可以提高回波信号的信噪比,并可进行全天探测。根据星载激光雷达对使 用环境以及温度调谐的要求,选择固态标准具来实现所要求的干涉仪滤波器,对其材料的选择和结构的设计进行了 分析,在封装设计时增加了温控结构,并对固态标准具进行了热应力耦合分析。综合考虑工作温度和入射角度的影响, 给出最优的性能测试方案,根据方案测得固态标准具的温度调谐满足中心波长调谐范围。
激光技术 固态标准具 星载激光雷达 结构设计 laser technology solid-etalon space-borne lidar structure design
1 中国科学院遥感与数字地球研究所遥感科学国家重点实验室, 北京 100101
2 中国科学院大学遥感与数字地球研究所, 北京 100049
3 山东科技大学测绘科学与工程学院, 山东 青岛 266510
4 浙江省环境监测中心, 浙江 杭州 310007
激光探测对于获取云和气溶胶的垂直廓线, 研究大气中云和气溶胶的垂直分布特征以及对全球气候变化的影响意义重大。 而星载大气激光雷达云气溶胶分类算法的研究, 对于激光雷达数据的参数反演及应用极为重要。 针对激光条件下探测的云和气溶胶特有的光学信息和空间分布, 结合概率统计与机器学习算法, 提出了一种对于云/气溶胶、 云相态及气溶胶子类型识别的分类算法, 实现了星载激光雷达的大气特征层快速、 有效分类。 算法采用中国地区2016年CALIOP的观测数据作为样本数据, 主要由三部分组成: (1) 基于激光探测的云和气溶胶层不同的光学特性以及地理空间分布特征, 分别构建了云和气溶胶的γ532, χ, δ, Z和lat的五维概率密度函数, 以此为基础构建云气溶胶的分类置信函数, 并基于此实现了云和气溶胶类型的反演; (2) 选取支持向量机(SVM)作为随机朝向冰晶粒子(ROI)和水云分类的算法模型基础, 结合云层的γ532, χ, δ Z和云顶温度T的概率密度函数构建ROI, 水平朝向冰晶粒子(HOI)和水云的分类置信函数以修正SVM误分的特征层以及筛选出水云中少部分的HOI冰云, 获得云相态的分类结果; (3) 以各气溶胶子类型的光学以及空间分布特性为基础, 采用决策树策略的气溶胶子类型识别算法实现了对气溶胶子类型的区分, 完成气溶胶子类型的识别。 利用现有CALIOP观测结果作为样本数据构建分类数据库, 避免了对于地面以及航测数据的依赖, 而机器学习则大大简化了算法的实现过程, 使得云气溶胶分类更加高效。 算法结果与正交极化云气溶胶激光雷达垂直特征层分布数据(CALIPSO VFM)产品对比分析: 云层有98.51%一致性, 气溶胶有88.43%的一致性, 且白天比夜间一致性高。 对于云相态分类, 可以有效区分出水云和冰云, 其中二者水云一致性高达93.44%。 在气溶胶子类型反演结果中, 可以准确识别出大多数气溶胶特征层子类型。 霾、 沙尘以及晴空三种典型情况下的反演结果均与CALIOP VFM产品数据具有较好的一致性。 其中, 霾天的大部分煤烟型以及污染型(污染沙尘以及污染大陆) 气溶胶反演结果与VFM具有较好的一致性。 沙尘天也能够获得较好的沙尘以及污染沙尘的结果。 晴空为数不多的气溶胶层也取得了较为一致的结果。 对于实现的星载大气激光雷达特征层分类算法, 针对CALIOP激光测量的云气溶胶层的分类进行了重要的改进, 在保证一定精度的基础上, 简化了算法, 提高了数据处理的效率, 在下一步工作中, 将分别构建不同时段和季节的分类模型以及提高两种不同偏振特性的冰云和气溶胶子类型的分类精度。
星载激光雷达 云和气溶胶分类 概率密度函数 支持向量机 决策树 Space-borne lidar Cloud and aerosol classification Probability density function SVM Decision tree classification
中国科学院 国家空间科学中心, 北京 100190
星载激光雷达可以获取全球的高精度地球探测数据, 在对地观测中起到越来越重要的作用。介绍了美国和欧洲星载激光雷达的发展历程。从探测原理、探测系统和探测结果等方面分别对地球激光测高系统星载激光雷达、正交偏振云-气溶胶星载激光雷达以及大气激光多普勒测风星载激光雷达进行了详细介绍。并对3台星载激光雷达的接收望远镜的结构和材料进行了分析。可以为我国星载激光雷达的研究提供参考。
激光光学 星载激光雷达 遥测 大气探测 laser optics space-borne lidar remote sensing atmosphere measurement
1 中国科学院上海光学精密机械研究所， 上海市全固态激光与应用重点实验室， 上海 201800
2 中国科学院大学， 北京 100049
研究了大气温度、湿度和压强的不确定性对于星载积分路径差分吸收(IPDA)激光雷达系统测量大气CO2柱线浓度精度的影响。介绍了测量大气CO2柱线浓度的基本原理和CO2吸收截面计算方法，理论分析并模拟计算了吸收峰(On-line)波段范围不同大气温度、湿度和压强的误差对于大气CO2柱线浓度反演精度的影响。对于给出的优化工作波长，在吸收峰波数为6361.2250 cm-1，吸收谷(Off-line)波数为6360.99 cm-1，温度不确定性为1 K、湿度不确定性为10%以及压强不确定性为0.001的条件下，综合导致的CO2柱线浓度测量误差为0.296×10-6，为高精度反演大气CO2柱线浓度提供了重要参考数据。
遥感 CO2浓度 积分路径差分吸收 星载激光雷达 测量误差 中国激光
2012, 39(s2): s214005
