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全波形激光雷达是一种主动遥感技术,通过记录每一个发射脉冲的回波信号,可以很好的反应地表特征,由于激光脉冲对森林冠层有一定的穿透性,在探测地面植被的垂直信息方面有突出的优势,目前已经得到了广泛的应用。
激光雷达系统分为大光斑激光雷达和小光斑激光雷达,他们各自有着应用上的优势。从记录的回波信号中我们可以提取高度、强度、半宽等信息,这些信息反应了植被的高度、距离等特征,但是由于光斑照射区域内能量的大小不同,及光斑照射区域内地物的复杂性,接收回波可能产生一定的叠加和失真,使得我们无法直接从回波中得到地物目标信息,这就需要后期的回波处理。目前常见的信号提取方式有高斯分解和反卷积,因为我们发射的脉冲呈高斯分布,高斯分解将回波看作是多个高斯波形的叠加,将接收回波分解成多个高斯脉冲,每个高斯脉冲代表一个地物目标的冲击响应,但是这种方法需要对分解的高斯脉冲的个数有个先验的了解,而且高斯脉冲的这种假设并不总是成立的,可能是方形波或者其他形状的波形,从而导致高斯分解方法某些情况下不够准确。
接收回波可以看作是发射脉冲与地面冲击响应的卷积,在知道发射脉冲和接收回波的情况下,要求得地面冲击响应就转化成了一个求解反卷积的过程,通过反卷积,以达到将返回波形中叠加的波峰信息有效分离、使回波变窄、位置信息更准确的目的,从而提取位置等信息。反卷积方法有很多种,其中包括基于定义的基本方法,如傅里叶变换、维纳滤波,还有迭代方法,它又分为线性迭代方法和非线性迭代方法,反卷积已经被广泛的应用于光谱学、信号复原、信号分析、信号模拟等领域。
本文首先介绍了激光雷达在林业上的应用及国内外对波形数据处理的研究现状、激光雷达数据的获取、特点及现在常用的数据处理方法,然后详细介绍了反卷积各种方法,并通过模拟波形探索利用反卷积得到地表冲击响应的能力,通过大量的实验,总结波形数据读取、高斯平滑、反卷积、峰值检测的完整的数据处理流程。文中通过结果比较得到了较适合激光雷达波形数据处理的反卷积方法,形成了波形激光雷达数据的反卷积处理流程,并应用于实践,处理航带数据,本文最后总结了论文完成的工作及不足。
论文的主要研究成果如下:
(1)根据激光雷达工作原理,建立了模拟地形数据,利用激光雷达回波模型(BPRC模拟器)建立了不同情况下的波形模拟数据库。
(2)利用模拟数据比较了线性迭代和非线性迭代反卷积方法,发现Gold方法更适合处理激光雷达波形数据。
(3)将Gold方法应用于黑河实验的机载激光雷达波形数据,得到的点云数据与系统数据进行比较,结果表明反卷积对于激光雷达波形数据处理是有效的。