为了实现对空间目标的远距离、高分辨率激光一维距离像探测及特性分析，在建立点目标激光一维距离像光外差探测模型的基础上，进一步通过三维建模的方式获取了三维目标的激光一维距离像.比较了圆锥体目标光外差探测获取的一维距离像与其距离分辨激光雷达散射截面、脉冲激光一维距离像之间的区别和联系，分析了目标尺寸、姿态、调频带宽以及表面材质对目标激光一维距离像的影响.实验结果验证了目标一维距离像能够反映目标外形特征，可为目标特性分析及识别提供参考.

激光雷达是对空间目标进行远距离高精度探测、跟踪监视的重要技术手段之一, 基于距离分辨的激光雷达探测系统相比于传统的成像系统, 具有整体结构简单、受大气干扰小等特点。国内外研究机构对该技术领域开展了大量研究, 主要介绍了高分辨率回波探测及反射断层成像激光雷达的发展现状, 总结和比较了国内外在理论算法、仿真分析、实验测试及实际应用等方面的进展, 分析了二者的技术特点, 展望了其发展前景。

为了解决复杂结构和形状的目标进行消隐数值计算时计算量大,精度较低的难点,提出基于OpenGL的目标消隐及可见部分显示方法,启用深度缓冲区进行深度测试,利用计算机图形加速卡在硬件层级迅速实现目标消隐并得到面元距离信息,提高了计算效率和精度,并通过一次光照获取目标面元与探测视线夹角的余弦值。考虑激光脉冲的时空分布特点,结合仿真得到的目标反射率分布,采用卷积模型计算目标的激光回波波形,仿真分析了发射激光脉宽、目标表面材料对目标激光反射层析成像质量的影响。

为了进一步提高激光主动探测系统对光学目标的探测识别能力, 提出了一种利用扫描干涉场将目标的空间分布特征加载到反射光时间序列信号中, 通过反射光时间分布的特征差异在复杂漫反射背景中探测光学目标的新方法。基于马赫-曾德尔干涉光发生体制, 得到了远场干涉图样条纹间距与传输距离、M-Z干涉光发生装置参数和激光波长的关系式。分析了条纹间距对不同目标原路返回点处光强时间分布特性的影响。搭建了演示验证平台, 结果显示, 随着干涉场的条纹间距减小, 光学目标的反射光时间分布峰峰数增多, 峰峰比降低, 而漫反射目标没有明显变化。漫反射目标和光学目标的反射光时间分布的方差、偏度和峰度等统计特征差异明显, 其中峰度值分别为(4.37,62.8)、(4.03,34.97)和(3.91,35.4), 整体相差一个数量级。利用反射光时间分布的包络形态和统计特征的较大差异可快速区分光学目标与漫反射背景。

研究了基于计算机断层扫描的激光反射层析成像技术的相关理论。实际情况下由于目标运动与探测平台振动等原因,非合作目标不同角度的反射投影相对于目标旋转中心存在平移,从而引起不同角度下投影失配,导致投影重建图像出现失真和伪影。采用误差减小、混合输入-输出相位恢复法对投影失配条件下反射层析重建图像进行相位恢复,仿真验证了该算法在投影角度过采样、完全投影与稀疏投影角度下的可行性。

为获取光学目标更多的特征信息、达到目标识别的目的, 文中利用不同目标回波特征受到湍流大气调制作用的差异性, 将目标回波的闪烁效应作为目标识别的手段之一。采用功率谱反演法生成随机相位屏模拟双程湍流大气扰动, 利用硬边光阑展开为有限级数和的形式以及Collins衍射积分公式推导角反射器、镜头目标和朗伯漫反射体的反射光的复振幅分布, 通过原路返回处的光强分布得到反射光的闪烁指数。分析了湍流强度和目标尺寸对上述三种目标回波的闪烁指数的影响, 并进行了实验验证。研究结果表明: 光学目标与漫反射目标回波的闪烁指数差别明显, 整体相差一个数量级, 随着口径的增大, 光学目标回波闪烁指数整体上呈现减小的趋势; 角反射器和镜头目标回波的闪烁指数在数值上差别不明显, 但可以通过多组测试结果绘制回波闪烁指数随时间的变化曲线的方法将二者进行大致的区分。该方法可以快速地从漫反射背景中识别出光学目标, 同时也为光学目标的分类识别提供了参考价值。

利用物理光学的相关知识、Collins衍射积分公式以及硬边光阑的复高斯函数分解法, 推导得到相干基模高斯光束通过卡塞格伦镜头原路返回点处的反射光时间分布的解析表达式。数值仿真分析了条纹间距和中心遮挡比对卡塞格伦镜头反射光时间分布的影响, 设计实验并对数值计算结果进行验证。结果表明: 随着条纹间距的增大, 卡塞格伦镜头反射光的时间分布峰数目减少, 峰值光强减小, 回波曲线包络中的频率点分量减少; 中心遮挡比的增大将引起反射光时间分布的能量和频率分量的丢失; 随着扫描速度的增大, 回波信号的分布变得密集, 呈现方差减小、偏度和峰度增大的趋势; 卡塞格伦镜头和透射式镜头的回波信号的峰度特征在数值上差异明显, 可以通过回波信号的统计特征区分折反式镜头目标和透射式镜头目标。所获得的结果对激光主动干涉探测识别技术的应用具有重要意义。

利用物理光学相关知识及Collins衍射积分公式和硬边光阑的复高斯函数分解法, 推导得到目标处干涉图样条纹间距与光学目标反射光时间分布关系的解析表达式.从原理分析、仿真计算和实验研究等方面研究了干涉场的条纹间距、光学目标口径参数和反射光时间分布包络的峰峰数、峰峰间距和峰峰比之间定量关系.结果表明, 当条纹间距的大小约为目标的口径尺寸时, 反射光时间分布包络的峰峰数由单峰向多峰过渡, 峰峰间距和峰峰比曲线会出现极大值, 根据这一变化规律可以估测出光学目标的口径参数, 其估测精度受条纹间距可调节范围的影响.

为了使远场相干光斑分布及干涉图样的条纹间距和条纹对比度满足激光主动相干探测的要求, 对基于马赫-曾德尔干涉原理的相干光发射装置发出的相干高斯光束在远场的扫描相干光场分布特性进行了分析, 推导了高斯光束远场扫描相干光场的解析光强分布公式, 得到了高斯光束远场扫描干涉图样。利用物理光学相关原理推导了远场的相干光光程差、干涉图样的条纹间距以及条纹对比度的表达式。数值仿真分析了马赫-曾德尔干涉光发射装置的分束镜旋转角度、探测距离和扫描角速度对远场相干光强分布特性的影响, 得到了这几个物理量之间的定量关系。结果表明, 远场扫描相干光强分布主要受到分束镜旋转角度、探测距离和发射装置扫描角速度等参量影响; 干涉光发射装置的分束镜旋转角度同时影响远场接收屏上干涉图样的条纹间距及条纹对比度。该研究结果对实际探测中如何选取分束镜的旋转角、使其在满足条纹间距目标尺寸要求的前提下, 适当调节旋转角度, 获得尽可能大的条纹对比度是有帮助的。