[发明专利]无人机的地面激光足印数据采集方法、系统、介质及设备

说明书

本发明涉及一种无人机的地面激光足印数据采集方法、系统、介质及设备，其包括:概算卫星激光足印点过境时刻及激光足印点预定位置坐标；对激光足印点预定位置坐标区域进行区域及地形考察，确定是否具备采集条件；根据卫星轨道高度和激光测高系统的指向角偏差估计值，估算激光足印中心点地面偏差半径，进而计算地面激光足印的可能地面范围的覆盖半径；根据激光足印的可能地面范围的覆盖半径，设置无人机空中悬飞位置及红外激光成像范围；由无人机平台搭载设定好成像范围的红外激光成像系统，在悬飞位置对地面进行完整的高速连续成像，完成激光足印影像数据采集。本发明采集的激光足印数据分辨率高、数据质量高，成本低，在卫星激光测高领域中应用。

技术领域

本发明涉及卫星激光测高技术领域，特别是关于一种低空无人机的地面激光足印数据采集方法、系统、介质及设备。

背景技术

卫星激光测高系统具备主动获取全球地表及目标高程息的能力，能为高精度全球地面高程控制数据采集、全球测图等提供重要支持，同时能够为极地冰盖测量、植被高度及生物量估测、云高测量、海面高度测量等应用领域发挥重要作用。卫星激光测高系统是以一定频率向地面发射激光脉冲，激光脉冲投射到地面形成激光足印，再经地面反射激光脉冲返回卫星，通过测量激光从卫星到地面再返回卫星的时间，结合精确测量的卫星轨道、姿态以及激光指向角，计算激光传输的精确距离，以获得激光足印点高程。

卫星激光测高系统的检校与验证是卫星激光测高数据处理应用的重要环节，直接影响着激光测高系统所获取的激光测高数据的精度。为了实现高精度地卫星激光测高系统检校与验证，地面激光足印数据的采集是首要技术问题。为了实现对卫星激光测高系统地面激光足印的数据高精度准确采集，目前主流是采用地面红外探测和角反射器对GLAS激光测髙仪的指向角和时间同步误差进行定标分析。

目前的卫星激光测高系统多采用发射的中心波长为1064nm的窄脉冲近红外激光器，可通过在地面布设一定范围的红外探测器捕捉到发射激光脉冲。如图1所示。实直线为预测的激光束射线方向，实线圆圈为预测激光射线在地面的激光足印范围。虚直线是实际激光束射线方向，虚线圆圈为实际激光射线在地面的激光足印范围。预测激光射线方向与实际激光射线方向夹角为激光测高系统的激光指向角偏差θ。在虚线圆圈内的地面红外激光探测器被激发，根据地面被激发的激光探测器分布范围，可以反演计算激光足印的中心点位置，进而精确计算激光测高系统的激光射线指向。

卫星激光测高系统发射的激光脉冲属于窄宽度脉冲，长度一般不超过10ns。在发射的激光脉冲经大气传输到达地面的过程中,会受到大气衰减、太阳背景噪声、远距离激光束的扩散等多方面的影响，因此为有效捕捉到卫星发射到地面的激光脉冲信号,地面的红外探测器需要具有抗噪能力强、探测灵敏度高、带宽窄等多方面的特性。在基于地面红外探测器的激光测高仪在轨几何检校过程中,一个重要的因素就是红外探测器能否被激光击中并产生反应。而地面探测器能被激光击中依赖于估算的激光足印点位置与最终实际位置的偏差要尽量小,激光足印点的实际位置与卫星轨道位置、姿态、激光指向角、测距精度等因素有关。

现有方法存在的问题如下：(1)所需要的地面激光探测器数量多、成本高，且布设时间周期长、人工布设工作量大、对地面地形的依赖程度大、机动性差。一般地，地面探测器布设数量需要达到几百个甚至上千个，才能够达到足印中心点高精度提取的需求，例如以500个探测器计算，按照0.3万元/个计算，探测器装备成本150万元。探测器数量越多、密度越大，足印采集的数据分辨率越高、足印中心点提取的精度越好。同时，地面探测器需要精确的测量每个探测器的地理位置，布设过程需要耗费大量的人力物力和时间，因此，通常情况下，布设地面探测器需要提前2-3天进行，需要几十人或上百人的投入。(2)地面布设激光足印探测器的数量和密度有限，足印中心点提取的精度受到极大的制约。地面激光探测器布设数量有限，采用离散的探测器点，还须剔除足印内的孤立点、缺失点和异常点，如按照激光足印内能量等级近似服从高斯分布提取激光足印中心点的坐标，就存在很大的误差和波动。

发明内容