针对脉冲激光近感探测在烟雾干扰下引起的虚警、漏警等问题，本文根据 Mie散射理论，运用 Monte Carlo方法建立脉冲激光近感探测模型，仿真 905 nm脉冲激光获取大小目标在无干扰和烟雾干扰两种条件下的回波，分析回波的波形特征。结果表明：无干扰情况下，发射接收系统与目标之间的距离和回波幅值呈负相关；大小目标回波前沿的上升速率均呈递增趋势。烟雾干扰情况下，烟雾回波和目标回波的脉冲宽度相对于发射激光波形均有一定的展宽，但前者的展宽程度要大于后者；烟雾回波波形呈现前沿陡峭，后沿平缓的非对称特征。研究成果可以为激光近感探测抗烟雾干扰提供理论基础。

光场回波散射特性是未来水下激光通信与探测一体化的关键技术之一，而具有螺旋波前结构的涡旋光束［如拉盖尔-高斯（LG）光束］更适合抑制海洋湍流的影响。利用广义Huygens-Fresnel原理，推导出弱海洋湍流中LG光束经高斯分布粗糙表面反射的回波散斑强度的解析表达式；数值分析了光源参数、海洋湍流以及粗糙目标表面参数对回波散斑场复相干度的影响。结果表明，复相干度随着LG光束拓扑荷数、束腰半径、波长的增大而减小，随着海洋湍流强度的增大而降低，随着粗糙面相干长度的增加而增大，并且当粗糙表面的相干长度大于球形波在海洋湍流中传播的相干长度时，复相干度变化不明显，表明此时粗糙表面对复相干度的影响远小于海洋湍流的影响。这一结论为海洋湍流条件下目标探测与识别提供了参考。

针对激光雷达多目标探测回波特性问题，基于传统单点激光回波理论，考虑激光照射区域和目标倾斜角度因素，推导出多目标激光雷达回波方程。数值仿真结果表明：多个目标回波峰值电压随着目标照射区域减小和目标倾斜角度增大而逐渐减小。搭建了多目标回波探测实验平台，采集了不同激光照射区域和目标倾斜角度下的回波波形，对比了峰值电压理论计算结果与实测结果。结果表明：理论波形与实验波形一致，峰值相对误差控制在6.7%以内，验证了理论模型和所推导公式的有效，所得结论可以为脉冲激光雷达全波形分解和反演提供理论参考性。

光子测距具有灵敏度高,探测距离远的特点,目标形状和姿态对光子测距的影响不可忽略。针对扩展平面、球面和非球面三种典型目标,建立了扩展目标光子探测回波概率分布模型,推导出不同倾斜角下混有时空分布的光子回波概率分布一般方程。实验表明,扩展平面的光子回波概率分布与数值计算结果一致。理论仿真分析了扩展目标的光子回波概率分布特性,讨论了光子测距误差与扩展目标类型和倾斜角间的变化规律。结果表明:平均回波光子数为3.9,目标处激光光斑半径为0.2m,倾斜角小于20°时不同扩展目标间的光子测距误差小于1.23mm;光子测距误差随着目标倾斜角的增大逐渐增大,且扩展平面目标测距误差受倾斜角影响最大。

从盖革模式单光子雪崩光电二极管的光电特性出发, 分析了卫星激光测距的测距精度与激光脉冲宽度及回波强度的关系, 并利用长春站卫星激光测距系统对地球动力学卫星进行观测.结果表明, 当回波光子数为1 000左右时, 系统测距精度为10.2 mm左右, 当回波光子数为8 000时, 测距精度减小为9.4 mm左右, 表明回波强度较大时, 可提高卫星激光测距系统的测距精度; 当激光器脉宽为200 ps时, 系统测距精度为17.3 mm, 当脉宽为50 ps时, 系统的测距精度为10.0 mm, 表明卫星激光测距系统的测距精度随着脉宽变窄得到了有效提高.为进一步验证理论结果, 对Ajisai卫星进行实测, 分析了高重复频率激光测距系统对系统测距精度的影响, 结果表明采用窄脉宽高重复频率的激光测距系统, 激光测距有效回波数和标准点密度呈数量级增加, 测距精度也有一定的提高.因此, 为了改善卫星激光测距系统回波特性, 应选用脉宽窄、重复频率高、能量大的激光器作为基于盖革模式单光子雪崩光电二极管的卫星激光测距系统的激光光源.

对于飞行目标轨迹测量中常用的脉冲激光测距系统,回光波形的变化对其测距精度的影响尤为显著。为了研究回光波形变化造成的测距误差,深入分析了复杂三维飞行目标的回波特性。以典型的调Q脉冲激光测距为基础,探讨了调Q脉冲激光发射脉冲的数学描述,建立了一种通过飞行目标的反射特性、表面形状及姿态信息计算回波功率分布的理论模型。在此基础上,以典型目标为例建立了目标模型,通过仿真模拟研究了脉冲激光回波特性,分析了目标姿态变化对回波特性及回波畸变测距误差的影响。搭建了脉冲激光测距实验系统,加工制作了模拟目标并进行了验证实验。实验结果表明,飞行目标姿态变化引起的回波脉冲展宽及回波畸变测距误差变化规律与理论分析基本一致,验证了所建理论模型的有效性。

针对脉冲激光周向探测平面目标回波特性的问题，设计了脉冲激光周向探测系统。基于传统激光雷达方程，采用单站式激光雷达散射截面方程，推导了混有时空分布的回波功率的一般方程。基于倾斜平面目标的表面特性，推导了扩展目标和非扩展目标的回波功率方程。通过仿真分析了脉冲展宽特性、朗伯体与非朗伯体平面的目标回波特性。对周向探测系统进行加工以及回波实验，实验结果表明，数值计算回波与粗糙平板实际回波波形一致，为脉冲激光周向探测系统测距提供了理论依据。

采用蒙特卡罗法建立了各向异性散射介质中高斯脉冲激光的全链路瞬态辐射传输模型，构造并推导了散射方向概率模型及其坐标系变换过程。在此基础上，计算分析了高斯脉冲激光回波特性的时域分布及差异。研究结果表明: 时域回波信号的脉冲增减来自于其他类别信号的转化和自身信号的超前或滞后；随着前向散射的增强，目标回波信号强度增大、峰值时刻前移、时间展宽减弱，散射回波信号响应与其相反且影响程度减弱；目标回波特性与[0°,90°]前向散射区域直接关联，散射回波特性与[90°,180°]后向散射区域直接关联。研究结论可为脉冲激光主动探测系统的性能提升及地物目标的反探测隐身提供理论指导。

采用光线追迹法,分析了空间环境下离轴三反结构系统的猫眼效应.给出了离轴三反系统的像面倾斜、视场和离焦对猫眼回波效率和发散角的影响,证明了离轴三反系统像面倾斜量是决定能否发生猫眼效应的主要因素.提出利用阈值法实现激光主动探测猫眼信号的基本原理,并结合高阶余弦漫反射模型,分析了目标漫反射信号对猫眼信号检测的影响.估算了20 km到120 km探测距离下,理论上所需不同光束质量激光的最小脉冲能量.仿真表明,当发射光束的全角发散角为0.3 mrad时,50 km和120 km探测距离下所需的最小激光脉冲能量分别为0.7 mJ和3.1 mJ.最后,通过原理实验,验证了空间激光主动探测法探测目标“猫眼”效应的可行性.