为了满足无人驾驶、车载避障等应用需求，激光成像雷达通常需要识别几米到几百米大动态范围内的目标信号。限于体积成本，当激光雷达不具备自动增益控制功能时，如何实现从饱和到非饱和回波信号的高精度测量是激光雷达测距技术急需解决的问题。传统的激光成像雷达多采用时间数字转换器的边沿测距方法，该方法对于近距离饱和波形测距效果较好，但对于远距离小信号成像能力有限，因此提出了基于高速模数转换的全波形匹配测距方法。该方法通过对回波脉冲与高分辨率模板波形的滑动匹配，求取高精度的回波脉冲峰值位置。并在FPGA上实现了优化的快速收敛方法，提高了算法执行速度，在保证了测距精度的同时提高了激光成像雷达的有效成像范围。通过大量的成像实验验证，激光成像雷达测距精度可达2.7 cm，有效成像范围可达200 m以上。

设计了三维成像激光雷达高带宽数据采集与存储系统。为保证系统存储的实时性,通过PCIE 3.0 (peripheral component interface express 3.0)将数据传输到计算机,将回波数据存储到固态硬盘(SSD)大容量盘阵中。针对系统中多片模数转换器(ADCs)采样数据不同步问题,提出了高速信号同步触发电路及现场可编程逻辑门阵列(FPGA)固有路径延迟校准算法。为了精确测量激光雷达内光路触发脉冲与系统时钟之间的延时量,设计了基于多级输入输出延迟(IODELAY)单元的时间数字计数器(TDC)算法,时间分辨率高达52 ps。结果表明,系统最大存储带宽为5.12 GByte/s,存储容量为24 TByte,在数据采集和存储上表现出很强的实时性和同步性,有较高的实用价值。

进行了1.8 km和3.4 km的直视逆合成孔径激光成像雷达外场实验,给出了远距离成像模式下考虑相位延时的非线性校正算法。实验中,目标为放置在无人机上的角锥和包裹有反射纸的无人机。通过交轨向包络对齐和顺轨向相位补偿算法,先后得到了不同成像距离下的角锥目标图像和1.8 km成像距离下的无人机图像。成像距离为1.8 km时二维分辨率达到了7.2 mm×5.8 mm,成像距离为3.4 km时二维分辨率达到了12.7 mm×9.2 mm。

机载激光雷达测深是近年来蓬勃发展的主动式水深测量方法， 能够快速精准地获取近岸水深和水下地形， 特别是对于浅海、 岛礁等船只无法达到的区域具有显著优势。 而机载激光雷达系统的测深能力主要受到水体浑浊度的影响。 激光测深实验中对实验区域的水体浑浊度研究将有助于实验方案的设计。 以中国海南岛沿岸海域为例， 研究了该海域水体浑浊度和机载激光雷达测深系统CZMIL(coastal zone mapping and imaging LiDAR)测深能力之间的关系， 建立了运用水体漫衰减系数估算机载激光雷达测深系统测深能力的算法。 首先分析并确定了实验区域的漫衰减系数Kd(490)反演算法； 其次， 运用该区域实测光学数据建立了漫衰减系数Kd(490)和Kd(532)之间的数值关系； 接着总结了Kd(532)和CZMIL系统最大测深值之间的关系； 最后运用MODIS数据合成了海南岛沿岸海域在CZMIL系统海道测量模式下的测深能力空间分布图， 重点分析了海口和陵水附近海域的最大可测水深分布情况。 为海南岛沿岸海域开展激光测深实验提供了参考和依据。

将成像激光雷达这一新型主动大气探测手段运用于水平大气透过率测量研究。采用矩阵图像错位相加法提高信噪比。获取随距离变化的信号之后, 通过Klett积分结合斜率法的反演方式获得1 km以内水平传输路径上的消光系数分布, 对消光系数进行路径积分, 计算出水平大气透过率。将反演结果与对比实验中直接测量的大气透过率进行对比分析, 发现不同天气情况下两者的相关性系数在0.7以上, 相对误差在20%以内。该成像激光雷达设备可进行有限距离的水平大气透过率探测研究。

为了获得目标区域的高精度3-D距离图像, 采用自研带读出电路的雪崩光电二极管(APD)面阵探测器组件, 研制了一台非扫描激光主动成像雷达。雷达采用波长1.064μm脉冲激光泛光照射目标区域, APD面阵探测器组件接收目标漫反射激光回波信号, 经信息处理获得目标区域3-D距离图像, 对典型目标开展了3-D成像实验研究。结果表明, 所研制的非扫描激光主动成像雷达可获得较好的目标区域3-D距离图像, 成像距离达1.2km, 距离分辨率为0.45m, 成像帧频为20Hz。基于APD面阵探测器组件的非扫描激光主动成像雷达技术取得突破。

针对传统的后向散射激光雷达系统结构复杂和需要几何因子矫正的情况, 研制了一套可以全天候测量的成像激光雷达用以克服这些缺陷。采用基于求解消光系数分布的方法反演能见度, 提出一种Klett后向积分法与遗传算法相结合的改进的迭代算法, 同时用传统的斜率法和权重拟合法求得能见度。选取比较有代表性的四种天气, 多云、阴天、晴天和雨天的数据进行处理, 得到这四种天气情况下的能见度。将这四组能见度数据与能见度仪器 Belfort 6230A在这四天同时测得的能见度数据进行对比, 结果表明, 在不同的天气情况下, 两种仪器测得的数据趋势相同, 相关系数均在0.67以上, 具有较强的相关性。可以得出结论: 研制的成像激光雷达系统可用于探测大气的能见度。

为得到更为精细的三维重构, 提出一种基于信赖域法高斯拟合的峰值探测法, 对每帧图像单时间通道的回波进行高斯建模, 建模结果可有效减小噪声干扰, 具有唯一峰值, 该结果作为新的回波波形, 再对其进行峰值探测, 并基于空中目标实验数据对本文方法进行验证.实验结果表明, 基于高斯拟合的峰值探测法可将特征数据的提取误差降至10%以内; 利用该方法提取特征数据进行目标三维重构, 可实现探测深度方向上最小30 cm的空间分辨力, 提高了条纹管激光雷达的三维成像精度.

通过设计成像激光雷达的各种参数, 结合一种大气模式模拟得到了一维激光雷达信号, 并根据高斯分布的特点和实测的光束宽度还原了二维光柱图像。对该原始图像加入不同强度的高斯白噪声和一定强度的平均背景,生成类似于成像激光雷达实测信号的染噪图像。使用二维小波变换的方法对染噪的激光雷达光柱图像进行去噪, 获得了较好的去噪效果。去噪后的回波信号与原始回波信号之间的相对误差均在±12%以内。利用去噪的激光雷达信号反演出气溶胶的消光系数。将反演出的气溶胶消光系数与输入的大气模式下气溶胶的消光系数进行对比, 结果表明二者的相对误差在±15%之内, 并且总体变化趋势一致, 由此验证了所提出的利用小波对激光雷达染噪图像进行去噪的可行性。