邱龐合 陶宇亮,2 王春輝,2 伏瑞敏,2

星載激光測(cè)高技術(shù)在測(cè)繪中的應(yīng)用和發(fā)展

邱龐合1陶宇亮1,2王春輝1,2伏瑞敏1,2

（1北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）（2中國(guó)空間技術(shù)研究院空間激光信息感知技術(shù)核心專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094）

激光測(cè)高技術(shù)在空間應(yīng)用中具有重要科學(xué)意義和價(jià)值，在高精度衛(wèi)星測(cè)繪系統(tǒng)中已得到應(yīng)用驗(yàn)證，顯著提升了立體影像的高程精度。目前對(duì)該技術(shù)相應(yīng)的總結(jié)及分析較少，因此分析其應(yīng)用和發(fā)展能為后續(xù)研究提供基礎(chǔ)理論。文章簡(jiǎn)述了星載激光測(cè)高定位機(jī)理和誤差源，并介紹了激光測(cè)高數(shù)據(jù)作為高程控制點(diǎn)的擴(kuò)展應(yīng)用方法。通過(guò)分析國(guó)外典型星載激光測(cè)高系統(tǒng)技術(shù)和發(fā)展脈絡(luò)，對(duì)星載激光測(cè)高技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)及應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)，給出了適應(yīng)不同任務(wù)需求的星載激光測(cè)高載荷的應(yīng)用建議；對(duì)星載激光測(cè)高系統(tǒng)中所涉及的星載激光測(cè)距和激光指向測(cè)量技術(shù)及發(fā)展進(jìn)行了分析和對(duì)比；最后，給出了國(guó)內(nèi)星載激光測(cè)高技術(shù)的部分成果及研究進(jìn)展。

激光測(cè)高儀 激光測(cè)距 指向測(cè)量 光子計(jì)數(shù) 衛(wèi)星測(cè)繪

0 引言

地理信息是國(guó)家重要的基礎(chǔ)戰(zhàn)略資源，中國(guó)的國(guó)土地形測(cè)繪、極地冰蓋測(cè)量、海陸交界測(cè)繪、林業(yè)生物量探測(cè)、城市規(guī)劃管理、災(zāi)害環(huán)境監(jiān)測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域都迫切需要大量精確的三維遙感信息。航天光學(xué)測(cè)繪是獲得基礎(chǔ)地理信息的有效手段，發(fā)展該技術(shù)及其應(yīng)用，對(duì)國(guó)家“一帶一路”戰(zhàn)略的推進(jìn)、維護(hù)國(guó)家的安全、國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，研究全球地形、生態(tài)、氣候、環(huán)境的變化等都具有重要意義[1]。

隨著測(cè)繪任務(wù)需求的提高與擴(kuò)展，對(duì)測(cè)量精度和基線穩(wěn)定度要求越來(lái)越高，對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)和軌道測(cè)量精度要求越來(lái)越苛刻，傳統(tǒng)光學(xué)攝影測(cè)量手段工程實(shí)現(xiàn)難度大，單一手段實(shí)現(xiàn)較大比例尺立體制圖工程上愈發(fā)困難，已然無(wú)法滿足測(cè)繪任務(wù)要求。另外，傳統(tǒng)光學(xué)攝影測(cè)量手段也會(huì)存在一些局限性，受光照條件的限制，無(wú)法全天時(shí)工作；紋理特征不明顯的冰原（即被大量冰雪覆蓋的大面積陸地）、灘涂等區(qū)域以及建筑密集有遮擋的城市等特殊區(qū)域，由于難以識(shí)別同名點(diǎn)，該測(cè)繪手段應(yīng)用受限。

激光測(cè)距具有“單點(diǎn)測(cè)量”的特點(diǎn)，即每一束激光每一個(gè)脈沖通常都可直接獲得距離相關(guān)的信息，具有特殊區(qū)域地理信息的獲取能力。對(duì)于星載激光測(cè)高儀，測(cè)距精度較高并受距離影響較小，且高程精度誤差傳播系數(shù)較小，更容易獲取高精度的高程測(cè)量數(shù)據(jù)[2-3]。另外，激光能夠全天時(shí)工作，可以穿透薄云，可以快速高效地生成數(shù)字高程模型（Digital Elevation Models，DEM）。

光學(xué)測(cè)繪引入激光測(cè)高技術(shù)具有重要科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。一方面，把激光測(cè)高作為輔助手段，將激光測(cè)高數(shù)據(jù)與光學(xué)影像聯(lián)合處理，可以提高立體影像的高程精度；另一方面，隨著高密度采樣的激光三維成像雷達(dá)的發(fā)展，激光將成為獨(dú)立測(cè)繪的手段，與光學(xué)攝影測(cè)量和干涉合成孔徑雷達(dá)等發(fā)揮同等重要的作用。

本文將簡(jiǎn)述星載激光測(cè)高儀定位機(jī)理和激光測(cè)高數(shù)據(jù)的應(yīng)用，通過(guò)分析國(guó)外典型星載激光測(cè)高系統(tǒng)，對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)及應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)，分析了星載激光測(cè)高中所涉及的激光測(cè)距和指向測(cè)量的主要技術(shù)路線，最后介紹了國(guó)內(nèi)星載激光測(cè)高技術(shù)的部分成果及進(jìn)展。

1 星載激光測(cè)高技術(shù)

1.1 激光測(cè)高定位機(jī)理

星載激光測(cè)高儀的測(cè)高原理與雷達(dá)高度計(jì)基本相同，即先由激光發(fā)送器向星下點(diǎn)方向發(fā)射激光脈沖，此時(shí)激光脈沖在地面上會(huì)形成一個(gè)激光亮點(diǎn)，即為激光足印或激光腳點(diǎn)，然后激光脈沖經(jīng)地面漫反射或大氣分子散射形成返回脈沖，返回脈沖由測(cè)高儀上搭載的接受望遠(yuǎn)鏡送至光電倍增管接收，經(jīng)對(duì)返回脈沖的時(shí)延以及其他特征進(jìn)行處理，即可得到地物信息。

圖1 激光足印定位模型

圖2 激光足印大地測(cè)量坐標(biāo)

由上述模型可知，激光足印定位受多種誤差影響，不僅與激光測(cè)高儀本身的測(cè)距誤差有關(guān)，還包含激光測(cè)高儀相對(duì)于衛(wèi)星質(zhì)心的確定誤差、衛(wèi)星軌道徑向誤差和水平誤差、激光指向誤差、大氣延遲誤差、時(shí)鐘同步誤差以及其它（潮汐、大氣后向散射、回彈等）誤差，涉及激光測(cè)量的全鏈路。

1.2 星載激光測(cè)距技術(shù)發(fā)展

星載激光測(cè)距一般采用脈沖時(shí)間飛行法，通過(guò)測(cè)量發(fā)射脈沖和目標(biāo)反射回波的時(shí)間差進(jìn)行距離測(cè)量。目前，國(guó)內(nèi)外星載激光測(cè)距主要采用三種技術(shù)方案，分別是：基于模擬探測(cè)的閾值測(cè)距技術(shù)、全波形采樣測(cè)距技術(shù)和光子計(jì)數(shù)測(cè)距技術(shù)，可以滿足不同的星載測(cè)繪應(yīng)用場(chǎng)景。

全波形采樣測(cè)距技術(shù)不再利用閾值鑒別主波（發(fā)射脈沖）和回波時(shí)刻，而是采用高速采樣電路對(duì)完整的主回波波形進(jìn)行記錄，采用波形質(zhì)心作為測(cè)量時(shí)刻，進(jìn)而獲取距離信息，如圖4所示。另外，通過(guò)對(duì)回波的波形分析，還可以獲取足印區(qū)域的反射特性和結(jié)構(gòu)信息。

圖3 閾值測(cè)距原理

閾值測(cè)距和全波形采樣測(cè)距都屬于模擬探測(cè)模式，該模式的探測(cè)靈敏度較低，要求每個(gè)測(cè)量脈沖有較高的信噪比，所需的激光能量與孔徑的乘積較大。對(duì)于多波束高密度采樣星載激光雷達(dá)而言，該技術(shù)所需功耗和口徑較大，工程難以實(shí)現(xiàn)。

圖4 全波形測(cè)距原理

圖5 光子計(jì)數(shù)測(cè)距原理

近些年，光子計(jì)數(shù)測(cè)距技術(shù)因?yàn)闇y(cè)量精度高、動(dòng)態(tài)范圍寬的優(yōu)勢(shì)而受到越來(lái)越多的研究學(xué)者和機(jī)構(gòu)的關(guān)注。不同于其他測(cè)距技術(shù)，光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)系統(tǒng)每秒發(fā)射數(shù)千個(gè)激光脈沖，并記錄后向散射和漫反射到接收器的單個(gè)光子的傳播時(shí)間。單個(gè)光子的飛行距離則可以通過(guò)記錄的光子到達(dá)時(shí)間得出，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)地表高度的測(cè)量。因光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)可對(duì)單個(gè)光子敏感，其激光發(fā)射能量要遠(yuǎn)低于線性探測(cè)激光雷達(dá)。此外，光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)在低能量消耗下的高靈敏度的特點(diǎn)使得光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)系統(tǒng)有望延長(zhǎng)激光壽命，并能夠在更高的高度飛行，從而提供更大的覆蓋范圍。

光子計(jì)數(shù)測(cè)距技術(shù)采用靈敏度達(dá)到極限的單光子探測(cè)器，回波信號(hào)只需要幾個(gè)光子，所需發(fā)射脈沖能量大幅降低，為增加波束數(shù)量和發(fā)射重頻創(chuàng)造條件，適用于獲取高程控制線/面。由于光子探測(cè)器靈敏度極高，對(duì)噪聲同樣敏感，單次脈沖測(cè)量無(wú)法區(qū)分噪聲和信號(hào)，因此，必須通過(guò)多脈沖統(tǒng)計(jì)，依靠目標(biāo)回波的時(shí)空相關(guān)性完成信號(hào)提取和距離測(cè)量，如圖5所示。光子計(jì)數(shù)測(cè)距技術(shù)在測(cè)距理念上發(fā)生了根本性改變，為了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜背景和地形的大動(dòng)態(tài)高精度測(cè)繪任務(wù)，必須采用多元探測(cè)方案，優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)，同時(shí)密切結(jié)合數(shù)據(jù)處理方法。

1.3 激光指向測(cè)量技術(shù)發(fā)展

激光指向精度很大程度上決定了激光測(cè)高儀的平面定位精度，對(duì)高程精度也會(huì)產(chǎn)生影響，尤其是非平坦地區(qū)。高精度的衛(wèi)星姿態(tài)測(cè)量精度并不代表高精度的激光平面定位精度。在軌環(huán)境下，光學(xué)測(cè)繪載荷在微重力場(chǎng)、溫度場(chǎng)和微振動(dòng)等的影響下，姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)與激光雷達(dá)指向夾角會(huì)發(fā)生變化，影響定位精度。為了保證指向精度，設(shè)計(jì)時(shí)需要將星敏感器與激光測(cè)高儀進(jìn)行關(guān)聯(lián)，或者將高分測(cè)繪相機(jī)與激光測(cè)高儀進(jìn)行關(guān)聯(lián)，即系統(tǒng)一體化、等溫化并剛性安裝，減小中間的誤差環(huán)節(jié)；其次，為了對(duì)激光指向進(jìn)行校正，進(jìn)一步提高定位精度，須設(shè)置激光指向參考系統(tǒng)。目前主要有兩種技術(shù)路線——足印相機(jī)技術(shù)和基于星空的指向測(cè)量技術(shù)。

1.3.1 足印相機(jī)技術(shù)路線

在輔助立體測(cè)繪中，普遍采用足印相機(jī)，同時(shí)對(duì)發(fā)射的激光和地表進(jìn)行成像，如圖6所示。雖然稱為足印相機(jī)，但其并不能對(duì)地面激光足印成像，而是通過(guò)導(dǎo)光光路將激光器出射的光導(dǎo)入足印相機(jī)，獲得激光指向信息，此時(shí)足印相機(jī)中無(wú)法對(duì)足印成像，而是獲得足印相對(duì)于地物的相對(duì)位置。足印相機(jī)對(duì)激光脈沖和地面景物成像，然后將兩種信息融合，建立激光發(fā)射方向與地面影像相對(duì)的空間位置聯(lián)系，再將足印相機(jī)與高分測(cè)繪相機(jī)的地表圖像進(jìn)行匹配，最終確定激光足印在高分測(cè)繪相機(jī)圖像中的等效位置，以此作為影像控制點(diǎn)，用于平差修正立體影像高程。足印相機(jī)也存在一定的局限性，由于其需要對(duì)地物成像，易受光照、地物紋理和云層的影響。另外，足印相機(jī)本身只能提供激光指向的相對(duì)坐標(biāo)定位，為了實(shí)現(xiàn)在ICRF或ITRF框架下的絕對(duì)坐標(biāo)定位，則必須在高精度衛(wèi)星姿軌、激光測(cè)高儀和立體相機(jī)之間建立完整的指向關(guān)聯(lián)，并能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)。

1.3.2 基于星空的指向測(cè)量技術(shù)路線

為了獲得足印的絕對(duì)坐標(biāo)，地學(xué)激光測(cè)高系統(tǒng)（Geoscience Laser Altimeter System，GLAS）和先進(jìn)地形激光測(cè)高系統(tǒng)（Advanced Topographic Laser Altimeter System，ATLAS）均采用基于星空的激光指向參考系統(tǒng)（如圖7所示），其主要由1個(gè)光斑分析相機(jī)、1個(gè)激光參考相機(jī)和恒星敏感器組成。該系統(tǒng)采用激光參考相機(jī)同時(shí)對(duì)星空和激光器出射的光束進(jìn)行成像，通過(guò)激光參考相機(jī)圖像與姿態(tài)確定系統(tǒng)中星敏圖像匹配，從而確定激光波束在ICRF坐標(biāo)系下的矢量方向。GLAS激光參考相機(jī)采用雙通道設(shè)計(jì)，激光參考探測(cè)通道對(duì)星空和激光同時(shí)成像，光斑成像探測(cè)通道對(duì)激光光斑精細(xì)成像獲取激光遠(yuǎn)場(chǎng)分布特性?；谛强盏募す庵赶驕y(cè)量方案不受光照和云層等影響，與地物特性無(wú)關(guān)。

圖6 足印相機(jī)工作原理

圖7 基于星圖的激光指向記錄系統(tǒng)

2 國(guó)內(nèi)外星載激光技術(shù)的測(cè)繪應(yīng)用

2.1 國(guó)外應(yīng)用情況

（1）水星激光測(cè)高儀

水星激光測(cè)高儀（Mercury Laser Altimeter Instrument，MLA）是美國(guó)“信使號(hào)”水星觀測(cè)任務(wù)的科學(xué)有效載荷之一，隨整星于2004年發(fā)射[6-7]。水星激光高度計(jì)采用高性價(jià)比的低重頻（8Hz）發(fā)射、線性多閾值多回波探測(cè)技術(shù)，以適應(yīng)不同軌道高度和地形的回波。

（2）地球科學(xué)激光測(cè)高系統(tǒng)

美國(guó)于2003年發(fā)射了對(duì)地觀測(cè)的“冰星”（Ice，Cloud and land Elevation Satellite，ICESat），配備了地球科學(xué)激光測(cè)高系統(tǒng)（Geoscience Laser Altimeter System，GLAS）。GLAS的主要任務(wù)是監(jiān)測(cè)全球冰蓋高程及其變化。GLAS采用了低重頻大光斑發(fā)射、線性全波形測(cè)距技術(shù)和基于星空的指向測(cè)量技術(shù)。GLAS的激光發(fā)射重頻為40Hz，地面光斑直徑約66m，沿軌足印間隔175m，高程精度約15cm，平面定位精度可達(dá)10m量級(jí)[8-9]。

（3）先進(jìn)地形激光測(cè)高系統(tǒng)

繼ICESat之后，ICESat-2于2018年發(fā)射，其有效載荷被稱為先進(jìn)地形激光測(cè)高系統(tǒng)（ATLAS）。ATLAS方案做出了重大調(diào)整，不再采用低重頻發(fā)射、線性探測(cè)技術(shù)，而是采用高重頻微脈沖發(fā)射、光子計(jì)數(shù)體制探測(cè)的激光測(cè)距技術(shù)，沿軌方向可以獲取密集高程廓線。激光測(cè)高系統(tǒng)發(fā)射重頻10kHz，地面足印直徑約10～15m，沿軌方向光斑間隔約0.7m；通過(guò)DOE分束器（Diffractive Optical Element，DOE）利用衍射作用將入射激光分成多束出射激光，形成3組6波束配置；組內(nèi)兩波束能量一強(qiáng)一弱，并且采用了多陽(yáng)極光電倍增管（Program Map Table，PMT）光子探測(cè)器件，以提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍和測(cè)距準(zhǔn)確度，增強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)能力，它同樣采用了基于星空的激光指向測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)絕對(duì)坐標(biāo)定位[10-11]。ATLAS入軌后的測(cè)量數(shù)據(jù)已經(jīng)得到驗(yàn)證，填補(bǔ)了作為南極東西分界線的橫貫山脈地理測(cè)繪空白，獲取了海冰厚度分布數(shù)據(jù)、冰雪表面超精細(xì)結(jié)構(gòu)、森林結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、海浪信息，還獲取了水質(zhì)良好的淺海水深數(shù)據(jù)。

（4）激光雷達(dá)地形測(cè)繪系統(tǒng)

美國(guó)國(guó)家研究委員會(huì)（United States National Research Council，NRC）提出了對(duì)地觀測(cè)十年計(jì)劃，其中激光雷達(dá)地形測(cè)繪系統(tǒng)（LiDAR Surface Topography，LIST）被列為15個(gè)推薦任務(wù)之一，是真正意義上的高分辨率激光立體測(cè)繪。LIST主要任務(wù)包括全球陸地、冰蓋和冰原測(cè)繪、植被垂直結(jié)構(gòu)測(cè)量。該系統(tǒng)也采用微脈沖光子計(jì)數(shù)體制，擬實(shí)現(xiàn)1 000波束、10kHz重頻、5m足印、5km幅寬的測(cè)繪，并于2011年完成了飛行試驗(yàn)驗(yàn)證[12]。

通過(guò)幾十年的技術(shù)發(fā)展，星載測(cè)繪體系逐步完善。激光測(cè)繪技術(shù)已經(jīng)從試驗(yàn)階段進(jìn)入應(yīng)用階段，在立體影像平差修正、極地冰蓋測(cè)繪等方面發(fā)揮著不可替代的重要作用。

激光測(cè)繪為了適應(yīng)不同任務(wù)需要和任務(wù)環(huán)境，閾值、全波形和光子計(jì)數(shù)等多種技術(shù)機(jī)制會(huì)并行發(fā)展，在輔助立體測(cè)繪、高程控制測(cè)量以及獨(dú)立測(cè)繪等方面將發(fā)揮各自不同的作用。激光雷達(dá)波束數(shù)越來(lái)越多，光斑足印越來(lái)越小，發(fā)射重頻越來(lái)越高，探測(cè)器陣列化發(fā)展，探測(cè)靈敏度越來(lái)越高，定位精度越來(lái)越高，產(chǎn)品類型越來(lái)越豐富。

針對(duì)未來(lái)不同的星載激光測(cè)繪任務(wù)，采用不同的方法和手段：

1）對(duì)于高緯度的極地冰蓋等紋理特征不明顯的區(qū)域，應(yīng)以激光測(cè)量手段為主，由于軌道傾角接近于90°，為非太陽(yáng)同步軌道，不利于光學(xué)攝影測(cè)量，應(yīng)單獨(dú)應(yīng)用激光或者考慮激光結(jié)合合成孔徑雷達(dá)復(fù)合使用，配合基于星空的激光指向測(cè)量系統(tǒng)完成絕對(duì)坐標(biāo)定位。

2）對(duì)于中低緯度紋理豐富的區(qū)域，應(yīng)以光學(xué)立體攝影測(cè)量手段為主，軌道選用適合光學(xué)攝影的太陽(yáng)同步軌道，配合稀疏波束的激光測(cè)高手段，利用影像控制點(diǎn)修正，滿足幅寬大、效率高的測(cè)繪需求。

2.2 國(guó)內(nèi)應(yīng)用情況

2.2.1 “資源三號(hào)”02星激光測(cè)高儀

“資源三號(hào)”02星星載激光測(cè)高儀是中國(guó)首個(gè)自主研發(fā)的星載對(duì)地測(cè)繪激光測(cè)高儀，由北京空間機(jī)電研究所研制，于2016年5月30日發(fā)射，取得了多軌測(cè)量數(shù)據(jù)。該激光測(cè)高儀采用了閾值探測(cè)技術(shù)，其軌道高度為（500±20）km：測(cè)距精度優(yōu)于1m；激光器波長(zhǎng)為1 064nm、重頻2Hz，單脈沖能量200mJ，脈沖寬度5～7ns；接收口徑為230mm，采用線性模式探測(cè)。國(guó)家測(cè)繪地理信息局衛(wèi)星測(cè)繪應(yīng)用中心利用多個(gè)區(qū)域?qū)す鉁y(cè)高儀進(jìn)行了在軌測(cè)試和驗(yàn)證。其中，檢校場(chǎng)區(qū)域其高程精度為0.89m；華北地區(qū)其高程精度為1.09m；渤海海域其高程精度為0.47m。另外，在陜西渭南試驗(yàn)區(qū)，將激光足印點(diǎn)作為高程控制點(diǎn)，能夠?qū)⒃撔l(wèi)星立體影像無(wú)地面控制的高程精度從1 154m提高到190m，體現(xiàn)了激光測(cè)高儀的價(jià)值，證實(shí)了利用激光高程控制點(diǎn)平差修正立體影像的有效性，該方法可在全球測(cè)圖工程中推廣應(yīng)用[13-16]。

2.2.2 “資源三號(hào)”03星激光測(cè)高儀

“資源三號(hào)”03星激光測(cè)高儀采用與02星一樣的閾值測(cè)距技術(shù)，于2020年7月發(fā)射。為了滿足用戶的業(yè)務(wù)化運(yùn)行需求，采用了前后沿鑒別和多閾值多回波探測(cè)技術(shù)，單次脈沖可以獲取多次回波以及不同閾值處的波形脈寬，提升地形環(huán)境的適應(yīng)性，多重有效信息的獲取可以完成測(cè)高數(shù)據(jù)的置信度評(píng)價(jià)。相比02星，其地面足印設(shè)計(jì)指標(biāo)減小到50m，增加了備份設(shè)計(jì)并具有主備雙通道同時(shí)開(kāi)機(jī)的能力。

2.2.3 陸地生態(tài)碳監(jiān)測(cè)衛(wèi)星植被測(cè)量激光雷達(dá)

陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測(cè)衛(wèi)星是國(guó)內(nèi)第一個(gè)以激光雷達(dá)作為主載荷的對(duì)地遙感衛(wèi)星，其主任務(wù)為林業(yè)探測(cè)，北京空間機(jī)電研究所承擔(dān)研制植被測(cè)量激光雷達(dá)。該系統(tǒng)采用線性全波形采樣測(cè)距體制，設(shè)計(jì)指標(biāo)為：5波束發(fā)射，工作波長(zhǎng)1 064nm，發(fā)射重頻40Hz，地面足印直徑25m，接收口徑1 000mm，采樣頻率1.2GHz。該系統(tǒng)采用了激光測(cè)量通道和高分成像通道共口徑光學(xué)設(shè)計(jì)，并且具有在軌多波束光軸監(jiān)視及收發(fā)匹配調(diào)整能力。

2.2.4 多波束光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)

為了適應(yīng)下一代激光測(cè)繪任務(wù)，圍繞星載光子計(jì)數(shù)激光測(cè)繪載荷研制的需要，目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)開(kāi)展了高重頻微脈沖激光器技術(shù)、衍射光學(xué)元件（Diffractive Optical Element，DOE）分束技術(shù)、蓋革模式雪崩二極管（Geiger mode Avalanche Photodiode，GmAPD）探測(cè)技術(shù)、多陽(yáng)極光電倍增管（MultianodePhoto Multiplier Tube，MaPMT）探測(cè)技術(shù)、基于時(shí)空相關(guān)的光子計(jì)數(shù)點(diǎn)云處理技術(shù)、基于星空的激光指向記錄技術(shù)和在軌收發(fā)匹配控制技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)和工程化研究?！笆濉毖兄屏嘶诠獍呒?xì)分的多波束光子探測(cè)激光雷達(dá)原理樣機(jī)（如圖8所示）。采用大光斑發(fā)射、分視場(chǎng)細(xì)分接收和蓋革模式APD探測(cè)等技術(shù)，并進(jìn)行了外場(chǎng)測(cè)距試驗(yàn)[17-18]?！笆濉睘榱藵M足多波束推掃測(cè)繪需求，研制了基于DOE分束、小光斑發(fā)射和多陽(yáng)極光電倍增管探測(cè)技術(shù)的光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)（如圖9所示）；并于2019年6月在黃河口鎮(zhèn)開(kāi)展了機(jī)載飛行試驗(yàn)，獲取了建筑物、樹(shù)木和淺水等不同地物目標(biāo)沿飛機(jī)飛行方向的光子點(diǎn)云，如圖10所示。

圖8 大光斑細(xì)分激光雷達(dá)

圖9 多波束推掃激光雷達(dá)

圖10 機(jī)載飛行試驗(yàn)及測(cè)量點(diǎn)云圖

3 關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展啟示

3.1 高程控制點(diǎn)的選取和應(yīng)用

中國(guó)已經(jīng)初步建成高精度的平面控制點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)，基本解決了1:50 000的中國(guó)數(shù)字正射影像圖（Digital Orthophoto Map，DOM）快速生產(chǎn)及更新的問(wèn)題，而覆蓋全球的高程控制點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)相對(duì)薄弱[19-20]。激光測(cè)高儀可以提供高精度的高程數(shù)據(jù)作為高程控制點(diǎn)，但是高程控制點(diǎn)的選取是有特殊要求的。通過(guò)激光測(cè)量手段，孤立獲取的絕對(duì)坐標(biāo)點(diǎn)，常常無(wú)法直接當(dāng)作控制點(diǎn)與地面影像匹配使用，或者使用效果不好。

首先，星載激光足印不是一個(gè)幾何意義的“點(diǎn)”，足印大小受傳輸距離、激光發(fā)射光束品質(zhì)、抖動(dòng)和大氣前向散射等影響，足印直徑通常較大，一般在幾十米量級(jí)。而立體攝影相機(jī)的影像分辨率往往很高，甚至優(yōu)于1m，兩者進(jìn)行匹配時(shí)，需要將足印作為一個(gè)“面”區(qū)域去考慮。在此條件下，地形坡度、粗糙度和激光遠(yuǎn)場(chǎng)光斑能量分布等都會(huì)對(duì)回波波形產(chǎn)生影響，降低高程測(cè)量精度。此外，激光在往返大氣的傳輸過(guò)程中，還會(huì)受到云層的前向散射、大氣湍流和地表反射率等因素的影響，最終導(dǎo)致較大的測(cè)量誤差，這種測(cè)量點(diǎn)則不適合作為高程控制點(diǎn)。因此，必須對(duì)激光測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，才能作為高程控制點(diǎn)使用。

采用其它數(shù)據(jù)源，如美國(guó)航天飛機(jī)雷達(dá)地形測(cè)繪任務(wù)（Shuttle Radar Topography Mission，SRTM）的DEM數(shù)據(jù)可以對(duì)激光測(cè)高數(shù)據(jù)進(jìn)行高程粗差剔除，利用云量、飽和度參數(shù)、地表反射率、回波波形的波峰數(shù)和波形擬合后高斯函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差等設(shè)定一定閾值，對(duì)激光測(cè)高數(shù)據(jù)進(jìn)行多重準(zhǔn)則篩選分析，保留受云層、大氣和地表反射率等影響較小的激光足印點(diǎn)，最后結(jié)合激光測(cè)高儀的回波波形特征參數(shù)做進(jìn)一步精細(xì)篩選，提取出高精度的激光足印點(diǎn)作為高程控制點(diǎn)[21-23]。

3.2 激光足印的空間相關(guān)性和擴(kuò)展應(yīng)用

激光足印可分為兩種應(yīng)用情況，一種是稀疏的控制點(diǎn)；一種是密集測(cè)量，形成廓線。

對(duì)于稀疏的高程控制點(diǎn)，根據(jù)激光測(cè)高輔助立體測(cè)繪相機(jī)攝影測(cè)量仿真評(píng)估，直接將低脈沖重復(fù)頻率（重頻通常是赫茲量級(jí)）的激光測(cè)高數(shù)據(jù)引入平差過(guò)程，理論上只需要少量的激光輔助控制點(diǎn)就能很好地改善平差效果，平差穩(wěn)定性和可靠性都有明顯提高，能夠滿足大比例尺的成圖精度要求[21]。但是，在多源數(shù)據(jù)融合使用過(guò)程中需要注意一些問(wèn)題。由于激光足印是稀疏的且平面精度較低（十幾米到幾十米），在沒(méi)有其它輔助影像信息的情況下，激光高程控制點(diǎn)與相關(guān)影像點(diǎn)的直接匹配難度很大，這種數(shù)據(jù)僅適用于地形整體較為平緩且對(duì)平面匹配精度要求不高的測(cè)繪區(qū)域。在地形較為復(fù)雜的地區(qū)，需要結(jié)合足印內(nèi)的地物信息，將激光回波波形信息進(jìn)一步處理分析，才能提升匹配精度。

在攝影測(cè)量難以發(fā)揮作用的極地冰蓋區(qū)域，激光成為獲取三維信息的主要手段。高重頻（重頻通常是千赫茲量級(jí)）發(fā)射可以在衛(wèi)星沿軌方向提供良好的空間相關(guān)性，形成高程廓線而非離散點(diǎn)，所以可以更為精準(zhǔn)地描繪復(fù)雜地形。當(dāng)波束間距較大時(shí)，波束之間缺失空間相關(guān)性，需要通過(guò)衛(wèi)星多軌復(fù)飛，彌補(bǔ)波束軌跡之間的地形信息，最終生成DEM。當(dāng)發(fā)射重頻足夠高和波束間隔足夠小，使面采樣密度接近于成像分辨率時(shí)，即達(dá)到了“三維成像”的效果，也就是說(shuō)在沿軌方向和垂軌方向，激光采樣點(diǎn)都具有良好的空間相關(guān)性。對(duì)于個(gè)別遺漏或者偏差較大的測(cè)量點(diǎn)，可以通過(guò)空間的關(guān)聯(lián)性予以校正，該使用方式發(fā)生了巨大的變化，即單軌推掃直接生成三維高程網(wǎng)格，高效地生成復(fù)雜的地形圖。

3.3 啟示

高程控制點(diǎn)的選取對(duì)于星載激光雷達(dá)測(cè)繪而言是影響其測(cè)量精度的關(guān)鍵，因此，應(yīng)挑選大氣透射率良好（無(wú)云或微云）、植被稀疏、地形坡度平緩的目標(biāo)區(qū)域，更容易得到優(yōu)質(zhì)的高程控制點(diǎn)。對(duì)于載荷設(shè)計(jì)而言，窄脈寬、小足印、高精度測(cè)距和高精度指向測(cè)量是必要條件。在獲取激光定位信息的同時(shí)，獲取實(shí)時(shí)的大氣參數(shù)、云圖、地面影像和地面反射率等信息，能更好地從完整的測(cè)量鏈路角度予以校正，提升控制點(diǎn)的精度和應(yīng)用效能。

4 結(jié)束語(yǔ)

星載激光測(cè)繪數(shù)據(jù)在全球地理信息獲取、森林碳儲(chǔ)量監(jiān)測(cè)、極地冰蓋測(cè)量等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值，激光測(cè)高技術(shù)在高精度測(cè)繪衛(wèi)星上已經(jīng)得到了成功應(yīng)用，有效提升了立體測(cè)繪影像的高程精度，并發(fā)展形成了不同類別技術(shù)路線和不同系列產(chǎn)品。

用于對(duì)月球和火星等測(cè)繪的深空探測(cè)類激光測(cè)高儀，受限于系統(tǒng)資源，普遍采用閾值測(cè)距技術(shù)，并向低功耗和輕小型集成化方向發(fā)展。對(duì)地測(cè)繪類激光測(cè)高儀則追求多波束、高重頻和高精度，從全波形測(cè)距技術(shù)逐漸向光子計(jì)數(shù)測(cè)距技術(shù)發(fā)展，并同時(shí)測(cè)量激光指向。

中國(guó)星載激光測(cè)繪技術(shù)雖然取得了一定的進(jìn)步，已經(jīng)成功應(yīng)用了閾值測(cè)距技術(shù)、全波形測(cè)距技術(shù)和基于足印相機(jī)的指向測(cè)量方案，但是在光子計(jì)數(shù)技術(shù)和基于星圖的指向測(cè)量技術(shù)方面還不夠成熟，有必要做好測(cè)繪體系的頂層設(shè)計(jì)，積極做好前沿技術(shù)儲(chǔ)備，加快工程化和業(yè)務(wù)化進(jìn)程。

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Application and Development of Laser Altimetry in Satellite Surveying and Mapping

QIU Panghe1TAO Yuliang1,2WANG Chunhui1,2FU Ruimin1,2

（1 Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）（2 Key Laboratory for Space Laser Information Perception Technology of CAST, Beijing 100094, China）

Laser altimetry technology has important scientific significance and value in space applications. It has been applied and verified in high-precision satellite mapping systems, significantly improving the elevation accuracy of stereo images. At present, the corresponding summary and analysis of this technology are few, so analyzing its application and development can provide a brief overview and basic theory for follow-up research. This paper briefly describes the positioning mechanism and error sources of spaceborne laser altimetry, and introduces the extended application method of laser altimetry data as an elevation control point. By analyzing the technology and development context of typical foreign spaceborne laser altimetry systems, the development trend and application of spaceborne laser altimetry technology are summarized, and application suggestions for spaceborne laser altimetry payloads that meet different mission requirements are given. The technology and development of spaceborne laser ranging and laser pointing measurement involved in the spaceborne laser altimetry system are analyzed and compared. Finally, some achievements and research progress of domestic spaceborne laser altimetry technology are given.

laser altimeter; laser ranging; transmitter pointing determination; photon-counting; satellite surveying and mapping

TP79

A

1009-8518(2023)01-0102-10

10.3969/j.issn.1009-8518.2023.01.011

2022-03-16

邱龐合, 陶宇亮, 王春輝, 等. 星載激光測(cè)高技術(shù)在測(cè)繪中的應(yīng)用和發(fā)展[J]. 航天返回與遙感, 2023, 44(1): 102-111.

QIU Panghe, TAO Yuliang,WANG Chunhui, et al. Application and Development of Laser Altimetry in Satellite Surveying and Mapping[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2023, 44(1): 102-111. (in Chinese)

邱龐合，女，2000年生，2020年獲首都師范大學(xué)光電信息專業(yè)學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)在中國(guó)空間技術(shù)研究院光學(xué)工程專業(yè)攻讀碩士學(xué)位。研究方向?yàn)榭臻g激光雷達(dá)指向測(cè)量。E-mail：1371280479@qq.com。

（編輯：龐冰）