本發(fā)明涉及一種基于三維光線追跡的大氣延遲改正方法，尤其是涉及大入射角條件下的星載激光雷達(dá)對(duì)地觀測(cè)時(shí)產(chǎn)生大氣延遲的測(cè)距誤差修正方法，屬于衛(wèi)星遙感領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

1、星載海洋激光雷達(dá)能夠獲得海洋的次表層信息，實(shí)現(xiàn)海洋遙感從二維平面到三維立體的觀測(cè)，它不受太陽(yáng)光限制，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)等優(yōu)勢(shì)，和傳統(tǒng)的遙感手段相比，具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。

2、目前，對(duì)地觀測(cè)的星載激光雷達(dá)主要采用近天頂(小入射角)方向發(fā)射激光脈沖，以便獲得較高的地面光斑幾何定位精度。大氣折射產(chǎn)生的測(cè)距誤差是激光雷達(dá)幾何定位的主要誤差之一，由此產(chǎn)生的誤差嚴(yán)重的影響了地面光斑的幾何定位精度。激光穿越大氣過(guò)程中產(chǎn)生的大氣延遲可利用映射函數(shù)和天頂延遲的關(guān)系計(jì)算。但是對(duì)于海洋激光雷達(dá)衛(wèi)星來(lái)說(shuō)，激光雷達(dá)通過(guò)后向散射來(lái)接收信號(hào)，當(dāng)激光采用近天頂(小入射角)方向發(fā)射時(shí)，海洋表面的反射信號(hào)會(huì)比水體散射信號(hào)高1-2個(gè)數(shù)量級(jí)，表層信號(hào)可能會(huì)使探測(cè)器飽和，影響次表層水體信號(hào)的反演。因此，星載海洋激光雷達(dá)衛(wèi)星的入射角一般較大，針對(duì)于這種大入射角度的傾斜，采用映射函數(shù)和天頂延遲的關(guān)系計(jì)算大氣延遲會(huì)帶來(lái)較大的誤差，需要采用更精確的模型來(lái)修正誤差。當(dāng)衛(wèi)星的軌道高度為400km，激光入射角為15°，地面光斑相對(duì)于星下點(diǎn)的偏移可達(dá)上百公里，如果仍使用星下點(diǎn)坐標(biāo)的溫度、濕度和大氣壓力，計(jì)算大氣延遲可能會(huì)引入較大誤差。光線追跡模型有二維和三維兩種，二維光線追跡模型和三維光線追跡模型的計(jì)算原理是一致的，在二維光線追跡模型，認(rèn)為光線從衛(wèi)星到達(dá)地面是沿著近天頂方向，激光從大氣層頂?shù)竭_(dá)地面過(guò)程中，只考慮垂直方向大氣參數(shù)的變化。而三維光線追蹤引入了矢量計(jì)算，能夠不斷更新光線矢量末端的三維坐標(biāo)，利用激光三維坐標(biāo)逐層更新可以同時(shí)考慮大氣參數(shù)在垂直和水平方向的變化，進(jìn)而更精確計(jì)算大氣折射率。因此，三維光線追跡模型能精確計(jì)算光線軌跡和大氣折射率，采用三維光線追跡模型可獲得更精確的計(jì)算精度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明目的是提供一種基于三維光線追跡的大氣延遲改正方法，應(yīng)用于大入射角工作條件下的星載激光雷達(dá)大氣延遲校正，以提高大氣延遲修正的計(jì)算精度。

2、基于三維光線追跡的大氣延遲修正方法，其特征在于包括步驟如下：

3、步驟1，計(jì)算激光在大氣層頂?shù)娜肷浣铅?；

4、步驟2，對(duì)大氣層進(jìn)行分層：

5、利用激光在大氣層頂?shù)暮０胃吆驮诘孛嫖唇?jīng)修正的海拔高，每30m對(duì)大氣層分層，所得層數(shù)記為k；

6、步驟3，分層計(jì)算實(shí)際軌跡的大氣折射率：

7、a對(duì)于激光在第i層大氣的位置矢量(xi,yi,zi)，將其轉(zhuǎn)換為經(jīng)緯高(bi,li,hi)，i＝1,…,k-1，利用bi和li尋找era5數(shù)據(jù)中鄰近的8個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)。

8、b位置矢量(xi,yi,zi)及其臨近8個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的大氣壓力p、溫度tmp和相對(duì)濕度rh，在垂直方向采用樣條插值，在水平方向上采用克里金插值。

9、c將第i層的高程hi轉(zhuǎn)換為海拔高度hi，根據(jù)步驟3b的前三項(xiàng)插值和大氣折射率計(jì)算公式得到激光在第i+1層的大氣折射率ni+1；

10、步驟4，分層計(jì)算激光穿越大氣的實(shí)際軌跡：

11、a使用折射定律的矢量形式，根據(jù)第i層激光單位入射矢量pi、位置矢量(xi,yi,zi)、激光入射角θi、步驟3c中的大氣折射率ni+1和i層大氣折射率ni，得到第i+1層激光單位入射矢量pi+1；

12、b利用矢量的計(jì)算，根據(jù)第i+1層激光單位入射矢量pi+1、i層位置矢量(xi,yi,zi)以及第i+1層大氣到地球質(zhì)心的距離r0-(i+1)hx，得到激光在第i層大氣的前進(jìn)距離ρi，進(jìn)而得到激光在第i+1層的位置矢量(xi+1,yi+1,zi+1)，其中r0為地心至大氣層頂?shù)木嚯x，hx＝30m；

13、c利用第i+1層的激光單位入射矢量pi+1和位置矢量(xi+1,yi+1,zi+1)，得到激光在第i+1層的入射角θi+1；

14、步驟5，重復(fù)步驟3和4，直到激光到達(dá)地面為止，從而得到激光光斑在地表的位置坐標(biāo)；

15、步驟6，計(jì)算理論條件下激光穿越大氣的軌跡，根據(jù)步驟1激光點(diǎn)在大氣層頂?shù)奈恢檬噶亢筒襟E5激光光斑在地表的位置坐標(biāo)，得到激光從大氣層頂?shù)竭_(dá)地面的理論距離；

16、步驟7，利用步驟3和步驟4得到的大氣折射率和激光實(shí)際軌跡，沿著激光實(shí)際軌跡對(duì)大氣折射率積分減去理論上距離，得到大氣延遲。

17、所述步驟1具體如下：

18、獲取星載激光雷達(dá)的初始激光單位入射矢量p0、衛(wèi)星軌道位置矢量(x0,y0,z0)，利用矢量計(jì)算，得到激光大氣層頂?shù)奈恢檬噶?x1,y1,z1)和第1層激光單位入射矢量p1，利用位置矢量(x1,y1,z1)和激光單位入射矢量p1得到激光在大氣層頂?shù)娜肷浣铅?；

19、所述步驟2對(duì)大氣層進(jìn)行分層，具體如下：

20、將步驟1中激光在大氣層頂?shù)奈恢檬噶?x1,y1,z1)轉(zhuǎn)換為經(jīng)緯高(b1,l1,h1)，進(jìn)一步將高程h1轉(zhuǎn)換為海拔高h(yuǎn)1，利用激光在大氣層頂?shù)暮０胃遠(yuǎn)1和在地面未經(jīng)修正的海拔高h(yuǎn)end，每30m對(duì)大氣層分層，所得層數(shù)記為k。

21、有益效果

22、對(duì)于大入射角條件的星載激光雷達(dá)系統(tǒng)，采用映射函數(shù)和天頂延遲的關(guān)系計(jì)算大氣延遲，可能會(huì)產(chǎn)生較大誤差，本發(fā)明可以解決這方面的問(wèn)題，本發(fā)明基于三維光線追跡來(lái)修正大氣延遲，可精確計(jì)算激光穿越大氣層過(guò)程中的光線軌跡和大氣折射率，因而能獲得更高的計(jì)算精度，提供高精度的大氣延遲修正量。

技術(shù)特征：

1.基于三維光線追跡的大氣延遲修正方法，其特征在于包括步驟如下：

2.如權(quán)利要求1所述的基于三維光線追跡的大氣延遲修正方法，其特征在于所述步驟1具體如下：

3.如權(quán)利要求1所述的基于三維光線追跡的大氣延遲修正方法，其特征在于所述步驟2對(duì)大氣層進(jìn)行分層，具體如下：

技術(shù)總結(jié)
基于三維光線追跡的大氣延遲修正方法，包括利用激光大氣層頂?shù)奈恢檬噶亢偷?層激光單位入射矢量得到激光在大氣層頂?shù)娜肷浣?；?duì)大氣層進(jìn)行分層；分層計(jì)算實(shí)際軌跡的大氣折射率、分層計(jì)算激光穿越大氣的實(shí)際軌跡，直到激光到達(dá)地面為止，從而得到激光光斑在地表的位置坐標(biāo)；計(jì)算理論條件下激光穿越大氣的軌跡；利用得到的大氣折射率和激光實(shí)際軌跡，沿著激光實(shí)際軌跡對(duì)大氣折射率積分減去理論上距離，得到大氣延遲。對(duì)于大入射角條件的星載激光雷達(dá)系統(tǒng)，采用映射函數(shù)和天頂延遲的關(guān)系計(jì)算大氣延遲，會(huì)產(chǎn)生較大誤差，本發(fā)明可精確計(jì)算激光穿越大氣層過(guò)程中的光線軌跡和大氣折射率，因而能獲得更高的計(jì)算精度，提供高精度的大氣延遲修正量。

技術(shù)研發(fā)人員：張智宇,李善杰,吳松華,宋小全,戴光耀
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國(guó)海洋大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9