● 摘要
全波形激光雷达是一种主动式遥感技术，可以实现对目标散射回波波形的完整记录，因而其不仅可以获得被测目标上各脚点对应的高程值，以形成3D点云数据来描述被测地面的形貌，还可以通过对回波波形进行分析，来提取更加丰富的目标特性，比如脚点内的斜坡坡度，梯度，粗糙度等。本文围绕全波形激光雷达探测技术，对目标特性提取，回波分析和系统构建三方面进行了理论分析与实验研究，具体内容如下：1．分析了全波形激光雷达的探测机理，重点研究了全波形回波在三维空间下的产生机理，通过对全波形激光雷达探测方程的推演，提出了一种采用有限元分析方法的全波形激光雷达回波仿真方法，并在理论上证明了其可行性和正确性。并对一定参数条件下的斜坡和台阶地形的回波进行了仿真。2．通过对仿真的斜坡和台阶地形回波波形分析，获得了分别斜坡坡度和台阶梯度与回波波形特性的相对关系，在此基础上研究了通过回波波形分析来提取斜坡坡度和台阶梯度的方法。3．研究了现有全波形激光雷达回波处理的算法，反卷积法和高斯分解法。反卷积法对噪声敏感，适应性较差，而现有的基于非线性最小二乘算法和最大似然估计算法的高斯分解法，则在初始参数估计上存在很大难度，并且鲁棒性较差。针对现有算法的缺点，本文提出了一种基于遗传算法（Genetic Algorithm，一下简称GA）的回波高斯分解算法，并通过对比实验，对本文提出的算法的性能进行了验证。4．根据全波形激光雷达探测原理，设计并组建了一套全波形激光雷达实验系统，实现了接收回波的功能，并进行了实验验证。论文研究的回波仿真方法为研究目标特性与回波特性的关系提供了有效的手段和方法，提出的全波形激光雷达提供了基于GA的回波高斯分解算法为全波形激光雷达的回波数据处理提供了健壮和精确的方法，搭建的实验平台为后续的全波形激光雷达系统优化设计提供了必要的参数支持。