[科普中國]-激光高度表

激光高度表測高原理

激光高度表采用脈沖法測高，其測高原理如圖所示，高度表對地而目標(biāo)發(fā)射1個或1列很窄的光脈沖，測量光脈沖到達(dá)地而并由地而返回到接收機(jī)的時間，由此可計(jì)算出導(dǎo)彈距地面的高度。

設(shè)地而高度為H，光脈沖往返經(jīng)過的時間為，光在空氣中的傳播速度為c，則:

在地形起伏較大的地區(qū)，天底點(diǎn)(雷達(dá)照射地而的正下方)的回波返回時刻既有可能出現(xiàn)在回波的前沿(例如平地、山頭，此時天底點(diǎn)就是最近點(diǎn)，其位置是在回波的起點(diǎn))，也有可能出現(xiàn)在回波的其它位置(如洼地).
特別對于寬波束雷達(dá)高度表，由于天線照射而積較大，使得回波脈沖寬度大為展寬，這種情況下，無線電高度表測量的高度與導(dǎo)彈距離其正下方地而的實(shí)際高度差別較大。激光高度表由于波束窄，受地而起伏影響小，因而測量精度相對較高。

影響高度表測量精度的另一因素是導(dǎo)彈的飛行姿態(tài)。設(shè)巡航導(dǎo)彈距地而的真實(shí)高度為H，由于導(dǎo)彈的飛行瞬時姿態(tài)不平行于地面，所以會造成激光高度表的發(fā)射路徑與導(dǎo)彈跟地而的垂線之間形成一定的角度Y，顯然Y的大小與導(dǎo)彈姿態(tài)角中的橫滾角m及俯仰角l都有關(guān)，可以表示為Y=f(m,l)。由于Y的存在，從而導(dǎo)致測量距離L=h/cosy，所造成的測量誤差△L = L一h-h(secy-1)。假設(shè)發(fā)射的電磁波波束角為R，當(dāng)Y>R時，其測量誤差△L就不可忽略了。對于激光高度表而言，其波束角更小，因此導(dǎo)彈姿態(tài)運(yùn)動對其測量誤差的影響就更大。因而采用激光高度表測量地形高度時，需要通過彈上慣導(dǎo)系統(tǒng)實(shí)時測量導(dǎo)彈的姿態(tài)角，根據(jù)觀測的姿態(tài)值對高度表的測量結(jié)果進(jìn)行修正。1

用途激光高度表可被安裝于飛機(jī)、衛(wèi)星等測試平臺上。它主要由激光發(fā)射模塊、激光接收模塊和數(shù)據(jù)處理模塊三部分組成。激光發(fā)射模塊發(fā)射出的激光首先被打到地面、洋面上的冰塊等探測目標(biāo)上，然后被目標(biāo)反射回飛機(jī)或衛(wèi)星等測試平臺上。激光接收模塊接收到反射回來的光信號，并把它轉(zhuǎn)換成為電信號。數(shù)據(jù)處理模塊會精確地測量出從激光發(fā)射到激光高度計(jì)接收到激光的時間，而這段時間就是激光在大氣中的傳輸時間，在這段時間內(nèi)，激光行走的路程是高度表與探測目標(biāo)間距離的兩倍。2

研究現(xiàn)狀及發(fā)展激光測高是一門新興技術(shù)，在地球科學(xué)和行星科學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。利用激光作為遙感設(shè)備可追溯到40多年以前。從20世紀(jì)60年代到70年代這段時期，人們進(jìn)行了多項(xiàng)試驗(yàn)，結(jié)果都顯示了利用激光進(jìn)行遙感的巨大潛力，其中包括激光測月和衛(wèi)星激光測距。美國早在20世紀(jì)70年代阿波羅登月計(jì)劃中就應(yīng)用了激光測高技術(shù)。20世紀(jì)80年代，激光測高得到了迅速發(fā)展，包括當(dāng)時美國NASA研制的大氣海洋LIDAR系統(tǒng)(AOL)以及機(jī)載地形測量設(shè)備(ATM)等機(jī)載系統(tǒng)。但機(jī)載/空載激光掃描測高技術(shù)直到最近十幾年才取得了重大進(jìn)展，研制出精確可靠的激光測高傳感器，包括航天飛機(jī)激光測高儀（shuttle laser altimeter, SLA）、火星觀測激光測高儀(mars observer laser altimeter, MOLA)以及月球觀測激光測高儀(lunar observer laser al-timeter, LOLA )。利用它們可獲取地球表面、火星表面及月球表面的高分辨率的地形信息，這對于研究地球和火星等行星的真實(shí)形狀等有著重要的科學(xué)意義。航天飛機(jī)激光測高儀由NASA/GSFC設(shè)計(jì)，它是一種空間飛行儀器，安置在航天飛機(jī)上，從地球低軌道上測量地形，為星載激光測高作科學(xué)試驗(yàn)。1984年就有研究者從事機(jī)載激光地形測量的研究并給出了測量結(jié)果；德國斯圖加特大學(xué)攝影測量學(xué)院在1988年開始研究機(jī)載激光掃描地形斷面測量系統(tǒng);荷蘭測量部門自1988年就開始從事利用激光掃描測量技術(shù)提取地形信息的可行性研究。

在激光高度表對地球表面的探測領(lǐng)域中，美國科學(xué)家們也曾多次應(yīng)用激光高度表來勘測地表的植被覆蓋情況、海平面的高度等地表的物理特性，以及云層和空氣中懸浮物質(zhì)的光學(xué)厚度。通過安裝在飛機(jī)或衛(wèi)星上的激光高度計(jì)的幫助，人類將探索的觸角伸向了地球的更深處。3