针对现有激光三维成像中使用的面阵APD探测器相邻像元间隔较大, 导致激光利用率低从而影响探测距离的缺点, 提出阵列分束激光三维成像技术。该技术对激光发射源采用液晶空间光调制器进行衍射阵列分束, 将一束激光分成与阵列APD探测器相应的阵列子光束, 调整激光发射子光束和阵列APD探测器的位置, 使得子光束照射目标后聚焦到阵列APD探测器的像元上, 提高了整束激光的利用效率。介绍了阵列分束激光三维成像技术系统组成和工作原理, 提出采用液晶空间光调制器的方法实现阵列分束的方案, 研制了阵列分束激光三维成像原理样机, 利用研制的原理样机对采用阵列分束后的效果进行了验证。实验结果表明, 采用该技术后, 采用峰值功率10 kW、脉宽8 ns的激光源, 填充因子2/3的8×8 APD, 三维成像作用距离达到510 m, 同等条件下与不分束相比, 作用距离提升39.1%。

激光雷达是一种可以精确、快速获取目标三维空间信息的主动探测技术，在目标的识别、分类和高精度三维成像及测量方面有着独特的技术优势，应用范围和发展前景十分广阔。本文详细阐述了激光雷达探测以及三维成像系统的各种体制、探测原理等；总结和梳理了国内外单点扫描、线阵推扫以及面阵三维成像激光雷达系统的发展现状；同时对比分析了它们在星载、机载、车载等不同平台和应用领域的技术特点及优劣势等。近年来，三维成像激光雷达逐渐从单点扫描向小面阵扫描和线阵推扫式及面阵闪光成像发展，成像速度越来越快；同时单光子探测技术逐渐成熟，探测灵敏度越来越高。随着现代探测技术越来越趋向于多种传感器的融合探测发展，三维成像的发展也趋向于主、被动成像相结合，以获取更丰富的目标信息。

提出并设计了一种适用于激光3D成像的盖革模式雪崩光电二极管(Geiger-mode avalanche photodiode, GM-APD)阵列像素读出电路。基于飞行时间(time-of-flight, TOF)原理, 像素读出电路主要由两部分组成: 有源淬火电路(active quenching circuit, AQC)和时间数字转换器(time-to-digital converter, TDC)。所采用的TDC是粗细结合的两段式计数方式, 成功实现了时钟频率和时间分辨率间的折中。基于内插技术, 由粗计数的线性反馈移位寄存器和细计数的延时线型TDC共同实现了高达18-bit的动态范围。同时两者的时钟频率分别降低至250 MHz和500 MHz, 分别是常规设计频率的1/20和1/10, 大大降低了设计和应用难度。电路采用SMIC 0.18 μm工艺设计, 后仿结果显示达到了200 ps的高精度时间分辨率, 对应的距离分辨率为3 cm, 完全能够满足3 km激光3D成像中的测距要求。像素电路版图面积小于50×95 μm2, 总功耗为0.89 mW, 具有小面积和低功耗的优势。

本文提出一种基于距离图像中值和双边组合滤波的曲面光顺方法，适用于激光扫描成像系统。该方法充分利用激光扫描成像系统输出的距离图像所包含的空间拓扑信息，结合双边滤波思想在曲面光顺应用中的优势与不足，采用二维处理方式实现曲面光顺，能最大程度保持曲面原形，同时大大降低了计算复杂度。实验结果表明，该方法能有效实现曲面光顺，且相比于传统算法有8 倍以上的速度提升，更能满足实时性要求。

针对机载平台激光3D成像系统的轻小型需求, 设计了采用APD阵列的共口径激光收发光学系统。在分析激光成像系统照明方式及其光学系统结构的基础上, 给出了激光3D成像光学系统结构框图: 激光经衍射元件实现分束照明, 采用双工反射镜实现收发光路的耦合。该光学系统用于2 km以内的目标三维成像, 根据激光测距方程, 确定了接收光学系统的参数以获得满足信噪比的回波能量。为避免造成像素之间串扰, 设计了5倍扩束比的发射光学系统。最后, 采用偏振片与1/4波片相结合的方式消除杂光, 降低了发射光路对接收光路的影响。设计结果表明: 接收光学系统弥散斑直径小于120 μm, 畸变小于02%。该光学系统体积小、重量轻, 成像质量良好, 可为同类激光成像光学系统提供借鉴参考。

机载激光3D探测成像是通过激光主动成像产生目标的角-角-距、角-角-速度3D图像的一种新的探测成像技术。本文重点阐述了机载激光3D探测成像系统的原理、功能和系统的组成。介绍了该系统在**和民用两大领域的应用，详细地讨论了近几年机载激光3D探测成像技术的国内外发展现状及动态，总结了该项技术的发展方向。认为国外的机载激光3D探测系统正向远距离、高分辨率、轻量化、低功耗、高实时性和人眼安全方向发展，而目前国内的相关研究仍处于实验室阶段，与国外相比还存在一定差距。文章最后以用户需求为例，从设计的角度对机载激光3D探测成像系统进行了分析，讨论了该系统在测距机制、扫描机构、探测器、数据处理和显示等方面的处理。