为实现近距离目标的准确测量, 充分利用线性调频连续波(LFMCW)信号的优良特性, 基于ARM单片机设计实现了毫米波LFMCW雷达测距系统。该系统采用“ARM+PLL+射频收发器”的结构, 其中,ARM单片机为主控芯片, 控制锁相环(PLL)和77 GHz射频收发器, 完成LFMCW信号的发射和接收, 同时使用ARM内部的ADC对中频回波进行IQ双路差分采样, 并在ARM内部实现快速傅里叶变换(FFT), 提取目标距离信息。当调制信号带宽为3.2 GHz, 调制信号周期为2 ms时, 该雷达系统可实现对2 m内目标的高精度测距, 误差距离控制在0.03 m内。实验结果表明, 系统能够通过发射宽带LFMCW信号, 实现近距离目标的有效探测, 具有探测精度高、通用性强、可靠性好、体积小等优点。

蓝绿激光在水下目标非声探测中具有广泛的应用前景, 但现有的探测模型尚未考虑探测概率与自导系统的匹配问题。为了获得最佳探测效果, 建立基于脱靶量的水下目标激光周视扫描探测模型。仿真结果表明: 随脱靶量增加, 在相同发射频率下, 增大光束发射倾角能显著提高探测概率, 但减少了后级系统的处理时间; 此外, 随脱靶量增加, 为避免探测漏检, 应提高发射频率, 减小光束发射步进角度。最后, 通过仿真分析给出不同脱靶量下探测系统关键参数的最优设计。文中所建模型对探测系统、自导系统的匹配设计提供了一定的理论参考。

基于卫星激光测距(SLR)系统的测距原理,对从角反射器反射的回波光子分布进行数值仿真,分析并讨论了卫星角反射器形状效应与SLR系统测距精度的关系。另外,为验证卫星角反射器形状效应的适用性,利用中国科学院国家天文台长春人造卫星观测站SLR系统对不同轨道高度的卫星进行了实测。结果表明,卫星角反射器形状效应使从卫星反射的回波光子分布发生明显改变,激光脉冲被展宽。对于Starlette卫星,激光脉冲脉宽由50 ps展宽至72 ps,由卫星角反射器形状效应引起的测距误差约为5.4 mm。对于高轨Etalon-1卫星、中轨LAGEOS-1卫星和低轨LARES卫星,由卫星角反射器形状效应引起的测距误差分别约为15.4,7.4,5.0 mm。因此,要使SLR系统测量精度向毫米级发展,应当考虑卫星角反射器形状效应对测距精度的影响,这也为SLR系统的性能评估与结构设计提供了新的思路与途径。

基于回波光子数方程估计空间碎片激光测距系统作用距离时, 最小可接受回波光子数很难确定。本文提出了通过改变空间碎片实测数据回波稀疏性获得精度变化曲线的退化模型, 以"精度不变"作为衡量条件, 确定保精度情况下系统最小可识别有效回波概率, 从而估算系统作用距离的方法。首先, 根据单光子雪崩探测器"关门"特性, 得到了有效回波概率与测量距离关系。然后, 建立实测数据的稀疏性退化模型得到测量精度与有效回波概率的跃变曲线, 根据精度曲线中"保精度平台"的"跳变点"获得最小可识别有效回波概率。最后, 根据最小可识别回波概率获得系统对不同大小典型空间碎片的作用距离。分别处理了有效截面积为3.884 0, 6.391 2和9.855 5 m2的3种典型空间碎片的实验数据, 结果表明: 系统在满足m级测距精度的前提下, 可识别的最小有效回波概率为0.02~0.044, 对上述不同特性典型空间碎片相应的最大作用距离分别为820, 1 520和2 250 km。提出的模型在精度不变情况下解决了系统最小可识别有效回波概率难以确定的问题, 大大减少了实验成本。

：现有的相位法测距系统均是用来测量距离的，并没有提供方位角和俯仰角相关信息以实现对目标的自动跟踪，从而使得相位法的应用受到限制。针对上述现象，在不考虑回波光斑非均匀性和噪声的条件下，提出了基于接收器为四象限APD的相位法激光测距系统实现跟踪的想法，并通过理论分析和仿真实验证明，通过对四象限的四路信号进行FFT提取幅值信息，可以计算得到方位角和俯仰角，从理论上使得相位法测距系统可以在不需要其他设备辅助的条件下自动跟踪目标。

脉冲激光测距系统在各个领域均有广泛应用，而时间测量 精度决定了距离测量精度。传统的时间测量方法都存在自身缺陷，难以实现精度高且 响应灵敏的脉冲时间间隔测量,因此详细介绍了一款时间数字转换芯片—— TDC-GP2芯片。该芯片利 用逻辑门延迟来实现高精度时间测量，其配合粗值计数器使用时的最大测量范围为4 ms。基于TDC-GP2芯片的 测量范围1可实现典型分辨率为50 ps (均方根值)、测量范围为0 ～ 1.8 s的 高精度时间间隔测量。该研究在各类测时方法中处于领先水平。

由于减小相位式激光测距系统的鉴相误差可提高测距精度，本文对鉴相器前置整形模块和后置滤波模块进行了优化设计，以提高鉴相精度。针对整形模块，引入了迟滞比较器，克服了传统开环比较电路在实际噪声条件下存在的多重触发缺陷，解决了鉴相器输出方波高电平宽度不稳定的问题。针对滤波模块，介绍了基于MC4044鉴相芯片的两种典型放大/滤波电路及其缺陷，使用FilterPro软件设计了4阶有源低通滤波器，并说明了它相对于典型设计的优势。实验结果表明：相比于开环比较器，本文设计的迟滞比较器避免了接地(GND）噪声引起的多重跳变现象，输出方波的上升沿时间由1.66 μs下降为108 ns; 与基于MC4044的两种典型放大/滤波模块设计相比，本文设计的低通滤波电路克服了输出DC电平值非线性变化的缺陷线性度(R2）值由0.908 3提高至0.999 9）和灵敏度较低的缺陷(转化增益常量提高了96.5%），而输出DC电平上的干扰信号峰峰值则由50~230 mV下降至10~20 mV，有效减少了后级的A/D采样误差，提高了鉴相精度。

提出了最大熵谱估计和LMS自适应算法提取激光测距系统的反射回波信号。研究了最大熵谱估计的信号检测原理，采用Burg算法求取AR模型相关参数，设计LMS自适应滤波器提取回波信号，并分析了Burg最大熵谱估计在激光测距系统回波信号检测中的应用。仿真分析表明，最大熵谱估计和LMS自适应算法相结合可以有效地从背景噪声中提取有用的激光反射回波信号。

介绍了机载激光3D探测成像系统的应用领域和国内外发展现状, 概括了小型无人机载激光3D成像检测系统(JIGSAW)、机载激光测深系统(LADS)、直升机3D-LZ Imaging LADAR及机载对地高分辨详查系统的基本组成、技术指标以及各自的特点。阐述了激光3D成像系统的工作原理与扫描方式的分类, 并重点对其单元核心技术即激光测距系统、激光光轴控制与指向测量系统、数据图像处理技术与显示系统进行了研究。最后, 简单综述了机载激光3D探测成像系统的发展前景。

混沌激光相关法测距技术可用于汽车防撞、光纤及电缆断点检测等, 其中混沌信号的快速采集、存储以及处理是重要的单元技术。基于数据采集卡设计并实现了混沌激光测距系统的数据采集与处理, 利用Visual Basic平台, 开发了采集、存储的控制软件, 并提出和编制了平均离散消除算法以实时地实现混沌信号的高信噪比相关运算。利用该采集处理系统, 实验获得了低于±0.25 m的光纤断点定位精度。