平顶高斯光束下激光测高仪回波参数模型及其精度分析

本文研究了激光测高仪在平顶高斯光束条件下的回波参数模型，这是在遥感领域中的一个重要进展，特别是在地表复杂地形和多层结构探测方面的应用。星载激光测高仪作为一种精确的地理测量工具，其工作原理是通过接收从地面反射回来的激光脉冲，通过分析这些回波参数来估算卫星与地表的距离。传统高斯光束的特性使得其能量在空间上的分布随光斑半径增大而快速衰减，这限制了其在探测具有复杂纹理和分层的地面物体时的精度。 然而，平顶高斯光束的独特设计解决了这个问题，它保持了光束中心的能量集中，即使在光斑边缘也具有相对较高的强度，从而提高了对复杂地形的适应性。研究者通过理论推导，建立了一套解析的模型来描述平顶高斯激光模式下回波波形的主要参数，包括波形宽度等关键特征。这个模型的准确性得到了波形模拟器、特定处理算法以及实际地球科学激光测高系统（GLAS）所获取的实验数据的验证。 实验结果表明，采用不同阶数的激光脉冲进行测量，模型与实际数据之间的偏差均小于3%，显示出良好的一致性。然而，随着目标斜率（即地表的起伏程度）或光束阶数的增大，回波宽度增加，导致测距误差也随之上升。具体来说，当使用4阶平顶高斯光束探测目标斜率为0.05的情况时，测距误差超过了10厘米，这表明在复杂地形中，选择适当的光束阶数对于保持测高精度至关重要。 因此，本研究不仅提供了计算平顶高斯光束条件下激光测高仪回波参数的有效方法，还为优化遥感任务的实施策略，提高地表测量精度提供了理论依据。这对于地球表面监测、地貌建模以及自然灾害预警等领域具有重要的实际意义。