星载激光测高仪接收系统通过收集地表反射的回波信号, 反演卫星与地表的高度。本文提出一种回波模拟光源方法, 产生延时量可调的激光主波和回波周期脉冲信号作为接收系统的检校输入源, 对星载激光测高仪距离参数进行地面标定。首先, 采用主波与回波光电探测器互换的测量方法, 利用频率计数器对回波模拟光源的延时量设定值进行精确测量, 测量方法误差为113 ps。然后, 通过比对回波模拟光源调制的延时量设定值和接收系统测试获取的延时量实测值, 实现对测高误差的标定和校正。研制了一套回波模拟光源系统, 通过3 335 6409~3 669 2050 ns的延时量调制, 实现对500~550 km高度的精确模拟, 模拟延时信号的抖动量为345 ps, 延时偏差小于118 ps, 为百千米级星载激光测高仪提供了高程误差优于6 cm的地面检校能力。

针对当前我国星载激光测高仪地面载荷性能分析和在轨检校等迫切需求, 本文从星载激光测高仪在轨工作环境出发, 对激光全链路工作原理进行深入研究, 设计了一套基于精细地形的星载激光测高仪回波全链路仿真方法与流程, 并详细推导了星载激光测高仪的回波仿真模型; 通过精细化地形实现激光分束处理, 完成高精度回波仿真.以目前全球唯一具备回波记录的对地观测激光测高仪GLAS为试验对象, 利用高精度机载点云精细地形数据, 选取平坦和山地地形试验区域进行全链路回波波形仿真与试验分析.结果表明: 平坦地形区域仿真波形与真实波形相似度达到0.985, 山地地形区域仿真波形与真实波形相似度为0.921. 本文方法能实现两类典型地形的星载激光回波波形高精度仿真.

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.

高精度在轨几何定标是星载激光测高仪有效应用的基础, 在参考国外 冰、云和陆地高程卫星(Ice, cloud and land Elevation Satellite, ICESat)卫星搭载的地球科学激光测高系统(Geo-science Laser Altimeter System, GLAS)几何定标的基础上, 提出了一种基于地面红外探测器的星载激光测高仪几何定标方法。采用资源三号02星上搭载的国内首台试验性对地观测激光测高仪的真实数据开展了实验验证。实验结果表明: 地面红外探测器能有效捕捉到激光测高仪对地发射的激光信号, 几何定标方法能有效消除指向角的系统误差项, 标定后平面绝对精度可提高到15.0 m左右, 而华北某地高精度地形数据验证表明其绝对高程精度可提高到1.09 m, 少量点高程误差小于0.5 m。虽然精度水平离国外GLAS还有一定差距, 但相关结论能为后续国产激光测高卫星的优化设计、数据处理与应用提供参考。

星载激光测高仪多模式回波是由多个目标产生的子脉冲组合而成。根据多模式目标的空间分布特点, 采用倾斜角、区域面积、中心位置和高度等参数实现其子目标的几何化建模, 结合目标响应函数的基本定义, 利用线积分的方式构建了子目标响应函数的表达形式。同时, 基于一阶矩理论推导出子目标激光测距真值及其修正值的数学模型。以星载激光测高仪GLAS系统参数为输入, 利用数值分析的方法, 模拟出子目标倾斜角、面积和位置对接收脉冲回波形态和激光测距修正值的影响。结果表明, 随着子目标倾斜角、区域面积和子目标偏离光斑中心距离的增加, 激光测距修正值也逐渐增大。针对平坦目标、缓坡目标和陡坡目标, 其激光测距修正值分别达到1.33 m、4.98 m和12.07 m, 其影响程度非常大。基于激光测距修正值的分布规律, 以子目标倾斜角、面积和中心偏距为变量, 采用线性函数描述了激光测距修正值的理论表达形式, 所得结论对于提升多模式激光测距值的测量精度具有重要的指导作用。

光束空间分布是影响星载激光测高仪测距指标的重要因素。根据星载激光测高仪接收脉冲回波分布特点, 通过对椭圆高斯足印及线性目标的理论建模, 基于接收脉冲回波信号时间重心及其方差的基本定义, 构建了椭圆高斯足印对星载激光测高仪测距值及其误差的影响模型。以GLAS星载激光测高仪为输入条件, 利用数值仿真分析的方法, 针对倾斜度和粗糙度分别为(3°, 1.7 m) 、(12.5°, 8.9 m)和(28.2°, 14.5 m)的三种典型观测目标, 系统论述了椭圆高斯足印的椭圆率与方位角对测距值及其误差的影响规律。结果表明, 激光测距值基本与椭圆高斯足印的椭圆率和方位角无关, 其测距值余量最大值不超过1 mm, 但是, 激光测距误差会随着椭圆高斯足印的椭圆率和方位角的增加产生起伏变化, 其测距误差余量最大值达到了47.04 cm。所得结论对于星载激光测高仪的硬件设计和性能评估具有一定实际应用价值。

大气散射效应是影响星载激光测高仪接收脉冲回波的重要因素。根据星载激光测高仪接收脉冲回波信号与大气响应函数之间的关系式，在忽略大气多次散射效应的条件下，通过分析散射激光束的几何轨迹和散射概率，推导出单次大气散射激光脉冲和接收脉冲回波的特征参数的数学解析式。以地球科学激光测高仪系统参数为输入，采用数值仿真分析的方法，模拟了大气散射介质分布、激光指向角和目标倾斜角对接收脉冲回波信号特征参数的影响。结果表明，若散射介质的高度和粒子半径范围分别为0.2~6 km和0~120 μm，则其对接收脉冲回波的能量、重心和均方根脉宽的影响最大值分别超过15%、250 cm和800 cm。随着激光指向角或目标倾斜角的增加，接收脉冲回波的能量基本不产生影响，但是其重心和均方根脉宽近似呈线性增加趋势。同时，采用高斯拟合方法可以减小大气散射效应对接收脉冲回波的影响。所得结论对于接收脉冲回波的数据处理与分析以及激光测距精度的评估具有一定的指导意义。

面向星载激光测高仪的陆地目标响应函数的时间分布是评价星载激光测高仪使用性能的重要因素。根据星载激光测高仪发射的高斯激光束和目标响应函数的分布特点，采用等间隔同心圆环与等分圆周的方法实现目标的离散化三角网格划分，基于三角网格的均匀性与目标响应函数特征参数的误差模型，以目标响应函数的仿真误差指标为依据，提出一种全新的目标响应函数的时空域参数选取方法。以对地观测星载激光测高仪GLAS的系统参数为输入条件，针对三种典型倾斜度(3°、12.5°和28.5°)的平面目标和多平面目标，通过限定目标响应函数特征参数的2%容限误差，仿真了对应的波形分布，并解算出其特征参数的最大误差不超过1.16%，有效验证了陆地目标响应函数仿真方法的正确性。所得结果对于星载激光测高仪接收脉冲回波的分析、数据反演及其性能评价具有一定的实际应用价值。