对于双目视觉立体匹配算法,先验的视差范围估计是影响算法匹配效果和运行时间的重要因素.在双目视觉系统的实际应用中,匹配视图之间的视差范围通常随场景的变化而不断改变,因此需要对视图间的视差范围进行有效的自动估计.针对此问题,开发了一种双模相机,可分时采集场景的灰度图像和深度图像,该深度图像与灰度图像有相同的空间分辨力.在双目视图匹配过程中,通过引入深度图的信息,可约束每一个待匹配像素的视差范围.对于实验室内采集的普通视图对,本文方法相较以视图间视差最大、最小值为约束的方法,匹配速度提高3倍以上,匹配误差减少2%,有效提高了匹配的可靠性和普适性.

由于强散射介质的散射作用，使得传统光学成像系统难以有效探测其内部目标。针对这一难点，提出了一种对强散射介质内部目标进行高分辨率实时成像的方法。基于强散射介质波前校正原理，采用汇聚照明方式，通过纯相位型空间光调制器，对散射介质表面点目标进行校正，使其清晰成像。在此基础上，保持调制图样不变，将汇聚照明改为扩展照明，即可实现对校正点附近较大视场和景深范围内目标的实时清晰成像。基于此方法搭建的实验系统很好地实现了强散射介质内部目标的实时成像，通过比较传统光学系统在无散射介质条件下和散射成像系统在有强散射介质条件下的成像质量，结果表明，散射成像系统具有更高的成像锐度。

本文介绍了一种基于面阵探测器的凝视成像激光雷达系统。整个系统分为三部分, 第一部分是脉冲激光发射系统, 采用中心波长为 808 nm的半导体堆叠激光器作为光源; 第二部分是接收系统, 由成像物镜, 像增强器和面阵探测器组成。第三部分是计算机图像数据采集处理系统。系统使用分时的两次测量法, 先后用恒定增益和线性增益两种方式对接收到的光强进行调制, 由这两次测量得到的光强信息解调出距离信息。文章分析了系统的噪声特性, 对给定的系统参数用仿真软件估计了距离误差。实验表明, 系统的实际距离分辨力和仿真分析得到的距离分辨力相符。

相比传统的点扫描激光雷达，基于距离选通和增益调制测距原理的面阵成像激光雷达，具有测距速度快的优点，但同时会引起单帧图像信噪比降低。根据成像激光雷达的原理，建立了其在散粒噪声影响下的测距精度模型，基于该精度模型和机载面阵激光雷达成像的特点，提出了一种应用灰度图像配准叠加提高测距精度的方法。对飞机姿态、光源均匀性、叠加帧数等因素在采用该方法时是否对测距精度有影响进行了分析。分析结果表明，图像完全匹配后，飞机姿态对测距精度没有影响，光源均匀性优于40%时对测距精度影响可以忽略，一定叠加帧数内时灰度叠加不会影响目标之间的相对距离。进行了地面动态实验和机载航拍实验，并将此方法应用于图像的校正，实验结果验证了该方法的有效性。

增强型电荷耦合器件(ICCD)是凝视成像三维激光雷达的关键器件之一。测量了在不同输入光强和不同像增强器增益电压条件下的光强以及噪声。根据光电探测过程，用泊松随机过程理论和最小二乘拟合法对测得的光强噪声数据进行了分析，发现噪声主要由来自于像增强器的等效光电子散粒噪声和电荷耦合器件（CCD）的光电子散粒噪声组成。尽管像增强器对光信号进行了放大，在大部分情况下，CCD的光电子散粒噪声也不可忽略。建立了双随机变量泊松过程的三维成像噪声模型，利用该模型给出了测距误差最小意义下的最优增益距离调制函数。

Distance resolutions and noises are analyzed experimentally for long-range three-dimensional (3D) active imaging systems that have signal-to-noise ratios (SNRs) more optimal than 30:1. Findings indicate that the photon shot noise primarily determines the SNR. However, the active imaging method, which has a relatively low SNR, generates a relatively high distance resolution. To explain this phenomenon, a theory in which the distance resolution of 3D active imaging systems is determined by both the photon shot noise and the subinterval width is developed. Theoretical and experimental results differ by less than 4%.

介绍了一种基于增益调制测距原理的成像激光雷达，并分析了其在散粒噪声受限时的测距精度。根据该精度模型，针对机载应用提出了对雷达测得的距离图像序列进行配准叠加以提高测距精度的方法。由于各帧图像的距离精度不同，在配准前进行权重处理使精度较高的图像像素获得较大的权重，然后利用插值相位相关法进行精确配准。对于配准后的图像，利用加权叠加使相加后的距离图像误差最小。理论分析表明，该方法能有效整合不同帧探测到的信号，使n帧距离图像配准叠加后的测距误差降低为单帧的1/n。仿真和实验验证了该方法的有效性。

为了实现大功率半导体激光器堆叠进行均匀化照明设计,提出了基于倾斜多高斯光束(MTGB)叠加的均匀化照明方法。推导了倾斜多高斯光束模型的平均光强解析表达式,发现该光束模型的光强分布具有角分布平顶特性且不随传播而改变。通过在角度域和傅里叶频域对该光束模型的均匀性分析,得出影响其均匀性的因素,给出了数值计算验证。最后在ASAP光学软件中,实现了把半导体激光器堆叠整形成倾斜多高斯光束模型的具体方法,获得了12°×10°的均匀化照明效果。结果显示,该方法在半导体激光器Bar条间距快轴方向装配误差有±50 μm时,仍然可以获得75%的均匀性和80%以上的效率。方案具有现实可行性,适合作为主动激光成像的照明系统设计。

提出了基于半正弦波-方波相关法的凝视成像三维激光雷达.用傅里叶级数展开对新方法进行了分析.理论分析表明,半正弦-方波相关可以在抑制高频噪音的同时加大调制的交流分量.基于新相关方法的探测系统可以在不损失测距准确度的条件下可以获得更大的输出光功率从而获得更大的探测距离.采用基于新方法的探测装置对~70 m外约100 m2的目标进行了探测实验.实验结果表明，基于新方法的激光雷达在60 m处的分辨率约为0.3 m,从而验证了理论分析的结论.

提出了一种脉冲调制无扫描激光三维雷达模拟系统的方案.激光脉冲的实际飞行时间可以通过控制激光管发出激光脉冲的时间来模拟.并同时对APD管施加高压调制,处理积分测量得到的数据,计算出模拟的激光传输距离.还讨论了系统控制模块的设计.该方案具有成本较低,结构简单等优点,可用于验证脉冲调制原理方案,并作为该项研究的前期准备.