无扫描激光三维成像雷达具有体积小、质量轻、高分辨率、高精度和对动态目标无失真成像等优点, 目前已成为许多国家研究的重点和热点。本文阐述了闪光式、光子计数、增益调制型等7种无扫描激光三维成像雷达体制和距离选通成像技术的基本原理, 追踪并归纳了其研究进展, 对比分析了各体制的技术优劣, 并从核心器件角度分析了发展趋势。结论如下: 采用2D传感器在光学层面进行时间信息转换实现三维成像的方法具有高分辨率、高能量利用率和高信噪比等特点, 在航天、测绘、**、民用等领域具有突出优势和应用前景。

比较了几种无扫描激光三维成像技术的优缺点, 提出一种基于双通道接收的强度调制型无扫描激光三维成像技术, 该技术具有成像速度快、精度高、可靠性好、距离远的特点。采用大功率脉冲激光器作为激光照射源, 两路ICCD同时接收, 双通道分光系统将接收回波分到两路ICCD, 通过两路ICCD强度信息反演出目标各点距离信息。重点介绍了该项技术工作原理和实现方法, 研制了原理样机, 进行了成像实验, 对成像结果进行了分析, 实现了作用距离5.1 km、作用距离30 m时距离分辨率0.25 m的技术指标。

为提高成像效率, 研究了基于雪崩光电二极管(APD)阵列和分束照明的直接测距型无扫描激光主动成像系统。系统采用脉冲激光器作为光源, 通过测量激光脉冲飞行时间来获取目标距离信息; 基于达曼光栅进行分束照明以提高能量利用率。另外, 光学系统采用收发共孔径结构, 保证了目标处激光脚点和APD阵列各像元的几何对准。与参考APD所采用固定阈值时刻鉴别法不同, 系统采用固定阈值与恒比定时相结合的时刻鉴别法处理回波APD阵列的输出信号以适应外光路参数的变化。各通道采用专用计时芯片TDC-GP22测量启停脉冲之间的时间间隔, 实现了45 ps的计时分辨率。最后, 将19 m和31 m处放置的两个角反射器作为合作目标进行了成像实验, 并给出了所获取的距离图像。结果表明: 两个目标的平均距离分别为19.28 m和31.54 m, 测距误差分别为0.28 m和0.54 m, 显示提出的设计方案切实可行。

针对无扫描三维(3D)激光雷达距离图像分辨率低、随机噪声大的问题,以高分辨率单目相机作为辅助,提出基于权值优化分块自适应灰度-距离马尔科夫随机场（MRF）的稀疏距离图像重构方法.在构建灰度-距离MRF 多层次相关图基础上,采用分块快速插值策略,克服纹理拷贝并提高重构速度；采用简单线性迭代聚类（SLIC）超像素分割边缘惩罚方法,有效保护图像结构细节；采用空域距离核函数和灰度相似核函数双重引导,并针对不同邻域系统自适应调整核函数标准差,保证算法稳健性；针对各邻域系统,采用共轭梯度法实现了全局能量函数快速优化.标准图像数据和真实图像实验表明所提出方法较双线性插值、双边滤波和标准MRF 方法具有更优的综合性能,可有效实现无扫描3D 激光雷达距离图像重构.

仿真研究有助于增益调制非扫描激光雷达系统设计的优化，并对其构成和成像原理进行分析。建立了增益调制非扫描激光雷达的理论模型，提出一个用于雷达成像的标准目标，根据所建立的理论模型和成像过程，编制了仿真软件，对增益调制非扫描激光雷达系统进行仿真模拟，并与实验结果进行对比。仿真实验结果与实验结果的一致性表明，仿真模型比较贴近实际，有助于增益调制非扫描激光雷达系统的方案设计和参数优化。

现有非扫描激光雷达阵列探测器的信噪比较低, 影响到系统的距离分辨率, 详细分析了阵列探测器的噪声特性, 得出了噪声满足各态历经性的重要结论, 并指出在输入信号相同的条件下, 可以通过空域积累代替时域积累的方法提高距离探测器的信噪比。并根据前述结论针对非扫描激光雷达/电视复合成像系统, 提出一种采用改进邻域平均的图像处理方法提高非扫描激光雷达系统距离分辨率的图像处理方法, 并应用于实际系统, 结果表明该方法能够有效提高非扫描激光雷达系统距离分辨率。