针对磁铁矿石在采选和破碎过程中耗能巨大的问题，借助分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置，对磁铁矿石进行不同应变率条件下的冲击压缩试验，分析磁铁矿石的动态力学特性及其破坏过程中的能量耗散特征，并借助ANSYS/LSDYNA软件模拟试样完整动态破坏过程。研究结果表明：磁铁矿石试样的动态抗压强度具有显著的应变率相关性，应变率从43.94~147.75 s-1，其动态抗压强度从126.77 MPa提高到220.62 MPa。能量传递规律分析表明，随着入射能的增大，反射能增长趋势增大，最大占比约占总入射能的22%; 而透射能增长趋势减小，且透射能占比从低入射能下的78%降低至高入射能下的38%，用于试件破碎的耗散能量逐步增多，与入射能呈线性关系。其破坏模式从中低应变率下的劈裂破坏转为高应变率下的压碎破坏，从破碎尺度来看，中低应变率下碎块多为大块状，而高应变率下碎块尺度较小且多呈细粒状及针状。数值仿真计算表明试件最开始发生破坏是由试件入射杆端面的“十字”反射拉伸波引起的。研究结果可为判断磁铁矿石动力破碎的难易程度以及提高冲击破岩效率提供参考。

为了获取高精度的月面高程,需要对激光器的指向误差进行准确估计。月球轨道激光高度计(LOLA)在轨工作期间,由于月球昼夜温度相差较大,夜晚的激光指向相对白天存在很大偏移。首先建立光斑偏离接收视场中心时探测器接收能量的理论模型,并基于该模型分析光斑偏移量与相对接收能量的理论关系,进而提出一种基于光斑能量的激光指向误差的估算方法。随后,使用测绘轨道期间(12个月)LOLA经过Aestuum地区产生的能量数据,并将能量数据与估算方法相结合,估算出LOLA在月球夜晚时的激光指向误差在沿轨方向为140.62 μrad,在垂轨方向为-413.17 μrad,该结果与LOLA地球扫描实验和利用轨道交叉点处高程数据推导的结果基本一致。

光束扫描系统是激光雷达的重要组成部分, 决定了激光雷达的视场范围。为了增大视场范围同时保持一定的角度分辨率, 车载激光雷达中常采用多个半导体激光器作为光源, 而不同激光器的时间响应存在差异, 使激光雷达的不同测距通道之间产生测距互差。 Risley棱镜是一种常用的光束指向器件, 具有扫描范围大、指向精度高等特点, 在车载激光雷达的光束扫描上具备良好的应用前景。本文建立了Risley棱镜的光束指向角模型与扫描轨迹模型, 在此基础上合理设计了扫描系统的光机结构, 解决了Risley棱镜扫描不均匀的问题, 用单路激光光源实现了大视场的二维扫描, 水平视场角和垂直视场角分别达到360°和30.4°, 当激光器脉冲重频为1 MHz, 扫描频率为5 Hz, 扫描线数为30线时, 水平分辨率为0.05°, 垂直分辨率为1.0°。该系统的技术指标与主流车载激光雷达相当, 且消除了多路激光器之间的互差, 可有效提高激光雷达的整体测距精度。

激光测高仪分米量级的绝对高程精度可以满足地面高程控制点的需求, 但其十几米甚至几十米的平面偏移使得其激光脚点仅能在平坦地表区域作为高程控制点使用。通过推导激光回波模型建立回波模型仿真器, 综合考虑激光能量时空分布、地表轮廓、地表反射率等器件和目标参数的影响, 对没有考虑地表反射率影响的现有波形匹配方法进行改进; 进而, 使用机载LiDAR点云数据和GLAS波形、能量数据, 以仿真波形和真实波形相关系数最大原则进行波形匹配, 寻找GLAS激光脚点中心坐标的精确位置。结果表明: 在GLAS系统接收能量正常的工作周期内, 波形匹配的平均相关系数大于0.9, 通过波形匹配提高GLAS激光脚点的平面精度, 能够实现约2 m的平面定位精度。研究方法能解决复杂地表条件下的激光高程控制点获取问题。

现有利用激光测高波形的地物分类方法绝大多数基于机器学习的分类原理, 是一种基于经验的分类方法。从激光回波的理论模型出发, 通过推导纯海水表面回波和含有海冰的表面回波的解析模型, 对纯海水回波和含有海冰回波逐个采样点按时域距离加权计算总振幅差异值, 以该差异值作为依据建立一种半解析型的海水、海冰分类方法; 通过机载LiDAR将在格陵兰北部海冰区的实测点云数据判断GLAS激光脚点对应的地面类型, 对GLAS在该区域实测波形进行基于论文方法的分类准确性验证; 结果显示, 在剔除饱和波形影响后, 分类总体精度OA大于95%, Kappa系数接近0.89, 具有非常好的分类效果。论文将使得激光测高仪地物类型分类方法由基于机器学习为依据向半理论解析模型为依据的分类方向延伸, 为后续基于激光回波数据的地物分类方法提供重要的参考思路。

由大气层折射率分布不均匀引起的大气折射延迟是星载激光测高仪测距误差的主要来源之一, 其主要受地表气压的影响。目前计算地表气压方法仅有美国GLAS系统使用的基于NCEP气象数据和时间空间的内插方法, GLAS系统观测相对平坦的南北极冰盖区域的精度足够, 但观测地表起伏复杂的陆地目标的精度较低。文中利用国内气象站的观测数据, 基于改进的反距离加权内插算法对大气折射延迟修正方法进行改进, 并与传统GLAS方法的修正结果进行精度对比。在高原地区以及高纬度地区, 采用国内气象数据和新的内插算法可以将修正残差由超过2 cm降低至小于0.5 cm, 相对GLAS系统整体15 cm的测量精度, 相当于整体精度提高10%, 对于未来国产卫星激光测高仪测量精度的提高将有一定参考价值。

植被树高是生物量评估和森林生态监测的重要参数，但是大区域的植被树高数据获取困难.由大光斑星载激光测高系统森林回波可反演大区域植被树高，然而大坡度山区的植被和地面回波混叠严重，难以准确提取波形参数反演植被树高.为此建立森林目标回波的解析模型，推导出从混叠回波中分离植被和地面回波的必要条件，指出导致回波混叠的因素除了目标粗糙度和坡度，还有发射脉冲的发散角.分析了地表粗糙度和地形坡度对植被冠层回波的展宽效应及其对波形分解的影响，通过比较实测GLAS波形和仿真回波波形，验证了压缩光束发散角可降低森林回波对大坡度地形的敏感性.对于卫星轨道高度在500~600 km之间时，激光测高仪光束发散角一般在40~60 μrad，更有利于森林植被树高的反演.所得结论为提高大坡度山地森林树高反演精度，从星载激光测高仪的系统设计角度提供了有意义的参考.