星载光子计数激光雷达探测理论、链路仿真与数据处理

星载激光测高雷达作为一种可以直接获取地面目标三维坐标的主动式遥感载荷，能够在数百千米的轨道高度以10cm的精度测量地表高程，是目前所有对地观测手段中绝对高程精度优选的，其数据产品在极地、海洋和林业等领域得到了广泛的应用。星载光子计数激光雷达在传统线性体制星载激光雷达的基础上，采用具有极高灵敏度的单光子探测器件，有助于实现雷达系统高重频、微脉冲和多波束的技术方案。本书在分析、总结国内外现有星载激光测高雷达工作特点的基础上，重点研究星载光子计数激光雷达的探测理论、测距误差模型和系统性能评价方法，构建星载光子计数激光雷达的全链路仿真模型；以点云数据信噪比和点云高程精度为基础定量分析星载系统的探测能力和测量精度，以起伏山地、森林植被和水下地形为例，分析极低信噪比条件下的信号处理方法与技术。 本书对星载光子计数激光雷达顶层方案的设计、系统参数的优化、极限探测能力的估算、面向对象的信号处理方法的研究均有较好的借鉴作用，可作为从事星载激光测高和光子计数激光雷达研究领域的研究生和科研人员的参考书。

第1章 绪论
1.1 国内外研究现状及发展趋势
1.1.1 星载光子计数激光雷达的诞生与发展
1.1.2 光子计数激光雷达探测理论的研究进展
1.1.3 星载光子计数激光雷达仿真的研究进展
1.1.4 星载光子计数激光雷达点云数据处理的研究进展
1.2 小结
参考文献
第2章 ICESat-2/ATLAS光子计数激光测高系统简介
2.1 ICESat/ICESat-2卫星计划简介
2.2 ICESat-2/ATLAS硬件组成
2.2.1 ICESat-2/ATLAS发射硬件子系统
2.2.2 ICESat-2/ATLAS接收硬件子系统
2.2.3 ICESat-2/ATLAS对准监视子系统
2.2.4 ICESat-2/ATLAS光子渡越时间偏差监视
2.2.5 ICESat-2星上总线子系统及地面站
2.3 ICESat-2/ATLAS标准数据产品介绍
2.4 小结
参考文献
第3章 星载光子计数激光雷达探测理论
3.1 信号模型
3.1.1 信号光子的统计模型
3.1.2 散斑自由度的估计
3.1.3 泊松分布的近似条件
3.2 噪声模型
3.2.1 背景光噪声
3.2.2 探测器暗计数噪声
3.2.3 噪声光子的统计模型
3.3 探测器响应模型
3.3.1 单光子探测器死区的形成与分类
3.3.2 非扩展型死区探测器的响应模型
3.3.3 扩展型死区探测器的响应模型
3.4 光子事件概率分布影响因素分析
3.4.1 信号光子的概率函数对光子事件概率分布的影响
3.4.2 探测器死区对理论光子事件概率分布的影响
3.5 小结
参考文献
第4章 星载光子计数激光雷达探测性能分析
4.1 光子计数激光雷达的性能评价
4.1.1 虚警概率与鉴別阈值
4.1.2 探测概率
4.1.3 数据信噪比
4.1.4 测距误差
4.2 探测器对系统性能的影响分析
4.2.1 系统的探测概率
4.2.2 系统的数据信噪比
4.2.3 系统的测距误差
4.3 多通道探测器响应模型及性能分析
4.3.1 多通道探测器的工作模式
4.3.2 多通道探测器的响应模型及其对系统探测性能的影响
4.4 光子计数激光雷达测距误差理论模型的实验验证
4.4.1 非扩展型死区单光子探测器的测距误差模型验证
4.4.2 扩展型死区单光子探测器的测距误差模型验证
4.5 小结
参考文献
第5章 星载光子计数激光雷达三维坐标解算及误差改正
5.1 坐标系框架
5.2 激光脚点三维坐标解算基本原理
5.3 误差来源及分析
5.3.1 硬件误差
5.3.2 大气折射对激光传输的影响
5.3.3 大气折射引起的光斑水平偏移
5.3.4 固体潮汐引起的位移
5.4 误差改正
5.4.1 大气干湿项延迟
5.4.2 固体潮汐改正
5.4.3 漂移误差改正
5.5 小结
参考文献
第6章 星载光子计数激光雷达全链路仿真
6.1 星载光子计数激光雷达全链路仿真的坐标系框架
6.2 几何仿真模型
6.2.1 仿真地面光斑位置解算
6.2.2 仿真测距值解算
6.2.3 仿真脚点三维坐标解算
6.3 辐射仿真模型
6.3.1 激光回波信号理论
6.3.2 激光脉冲时空分布模型
6.3.3 目标模型
6.3.4 噪声模型
6.3.5 探测器响应模型
6.4 全链路仿真模型的软件实现
6.5 小结
参考文献
第7章 全链路仿真验证与分析
7.1 光子点云数据评价指标
7.1.1 光子点云数据评价指标的定义
7.1.2 光子点云数据评价指标的统计方法
7.2 全链路仿真结果的验证
7.2.1 ATLAS数据和测试区域
7.2.2 仿真的初始参数
7.2.3 点云仿真结果与实测点云的对比
7.2.4 点云仿真结果的验证
7.3 星载光子计数激光雷达全链路仿真结果
7.3.1 随机地形的仿真点云
7.3.2 城市建筑的仿真点云
7.3.3 积雪地面的仿真点云
7.4 单光子探测器对点云信噪比和高程精度的影响分析
7.4.1 平坦随机地形场景
7.4.2 复杂地形场景
7.5 小结
参考文献
第8章 光子计数激光雷达点云信号处理
8.1 点云信号提取算法概述
8.2 面向森林植被应用的点云信号提取
8.2.1 改进的基于聚类的点云数据去噪方法
8.2.2 点云数据去噪结果及分析
8.3 低信噪比星载激光雷达点云数据的信号提取
8.3.1 ATLAS的数据信噪比分析
8.3.2 ICESat-2弱波束在陡峭地形测量点云的信号提取
8.3.3 信号提取算法的性能及评价
8.4 小结
参考文献
第9章 星载光子计数激光雷达点云数据应用
9.1 基于光子点云噪声率差异的地表分类
9.1.1 星载光子计数激光雷达精细化噪声模型
9.1.2 基于点云噪声率的水面和陆地分类算法
9.1.3 基于点云噪声率的积雪和陆地分类算法
9.2 光子点云数据在植被冠层高度反演中的应用
9.2.1 植被冠层高度的反演方法
9.2.2 典型区域的植被冠层高度获取
9.3 光子点云数据在水下地形获取中的应用
9.3.1 激光测深误差修正方法
……