为了获取高精度的月面高程,需要对激光器的指向误差进行准确估计。月球轨道激光高度计(LOLA)在轨工作期间,由于月球昼夜温度相差较大,夜晚的激光指向相对白天存在很大偏移。首先建立光斑偏离接收视场中心时探测器接收能量的理论模型,并基于该模型分析光斑偏移量与相对接收能量的理论关系,进而提出一种基于光斑能量的激光指向误差的估算方法。随后,使用测绘轨道期间(12个月)LOLA经过Aestuum地区产生的能量数据,并将能量数据与估算方法相结合,估算出LOLA在月球夜晚时的激光指向误差在沿轨方向为140.62 μrad,在垂轨方向为-413.17 μrad,该结果与LOLA地球扫描实验和利用轨道交叉点处高程数据推导的结果基本一致。

星载激光高度计广泛地用于多种地形地貌的科研分析,例如冰层和植被覆盖变化。针对星载激光高度计数据的定量化应用,研究了激光 高度计的定标方法,并设计了激光高度计地面定标模拟系统加以验证。该系统包含探测器阵列和高精度脉冲计时系统两部分,用于定标星载 激光高度计的对地指向角和时间戳。对定标系统的性能进行实验测试和软件仿真,结果显示:探测器能够探测平均能量3 nJ/cm2的光斑,探测范围 为1～16 nJ/cm2,计时系统计时精度为1.25 ns。

针对星载对地观测激光高度计大足印回波信号中多目标相对高程信息提取的问题，采用基于最小二乘的高斯分解算法对波形数据进行多目标分离，设计了全波形采集系统，并开展了地面多目标分离的算法验证实验。实验结果表明，该算法可有效分离回波信号中的多个目标，目标间相对距离偏差小于0.03m，验证了激光大足印全波形采集系统进行多目标相对距离信息提取的可行性，对星载对地观测激光高度计的系统设计及数据处理算法的研究具有重要借鉴意义。

作为天基系统的重要遥感遥测手段，星载激光高度计具有高精度、高分辨率、垂直分辨等优点，在地形地貌测绘、深空探测、全球预警和监测等方面具有独特的优势，发展前景十分广阔。对星载激光测高技术的发展过程进行了介绍，分别阐述了星载激光高度计及多光束推帚式激光高度计的工作原理，分析了多光束推帚式探测技术中多束激光并行发射、激光器技术和激光回波的阵列探测等关键技术，并介绍了星载激光测高技术的应用情况，最后对空间多光束激光探测技术的发展前景及我国星载激光测高技术的发展进行展望。

为使星载激光高度计实现高空间分辨率，提出了一种联合采用伪随机码(PRC)相位调制光纤激光器和外差探测的测距方法。推导了用于测高时的信噪比公式。对激光发射功率、参考光功率、望远镜口径、调制速率以及PRC序列长度对信噪比和距离分辨率的影响进行了数值模拟。对系统参数进行分析，得到了相关参数的关系和优化的参数。结果表明,当激光出射功率约为10 W，参考光功率约为10 mW，望远镜口径为0.4 m，调制速率为1 GHz，单周期内PRC序列长度约为300 μs时，基于PRC相位调制和外差探测的星载激光测高计能够实现系统信噪比为10和距离分辨率为15 cm的设计目标。

为解决基于雷达高度表探测的地形匹配导航系统探测精度不高、易受电子干扰影响而失效、且在跨海飞行时无法导航的难题，设计了一种激光高度计来代替雷达高度表进行地形探测。采用二极管泵浦固体激光器技术设计激光发射装置，输出近红外/蓝绿双波长激光，既可以测量陆地地形高度，又可以穿透海水探测海底地形；并根据激光高度计拟达到的性能指标选择合适的光电探测器，优化设计了光学系统、扫描系统和信号处理系统。所设计的激光高度计具有体积小、重量轻、高重频、探测灵敏度高、抗电磁干扰能力强等特点。

采用雷达高度表的巡航导弹地形匹配导航系统易受电子干扰影响而失效。针对该问题, 提出应用红外 /蓝绿双波长输出的激光高度计代替雷达高度表进行地形探测的方案, 该方案还可解决巡航导弹在跨海攻击时无法制导的难题。根据激光测高和测深方程及探测器输出信噪比计算公式, 采用数字仿真的方法对高度计性能进行了评价。仿真结果表明, 红外和蓝绿激光的峰值功率分别达到 50 kW和 450 kW左右时, 可基本满足测高和测深的要求, 并确定了激光高度计单脉冲能量、脉冲宽度、脉冲重复频率、光束发散角等参数值。

激光高度计的探测视场角是影响系统性能的一个重要参数, 论述了视场角对系统探测性能的影响.受到回波 杂散光和探测器响应不均匀性的影响, 激光高度计的探测视场会随回波能量的改变而发生变化, 而回波能量随探 测距离发生变化.本文提出了测试激光高度计整机探测视场角的方法, 并且模拟了系统在实际工作状态时的情况; 对于有近程延时保护的系统, 给出了测试的解决方案.对设计视场角为1.5mrad的激光高度计进行了测试, 调节模 拟回波信号能量至5×10 -8 W, 模拟其工作距离为200km时的工作状态, 得出系统的探测视场角为1.46mrad.

“嫦娥一号”卫星的有效载荷激光高度计通过测量发射与接收信号之间的时间间隔，获得星一月距离数据.本文分析了背景辐射功率、倍增因子与激光高度计最佳信噪比之间的关系，并利用积分球进行了不同背景辐射功率下的信噪比试验，验证了背景辐射功率以及雪崩二极管倍增因子对接收系统信噪比的影响.结果表明，在不同的背景辐射功率条件下，存在不同的最佳倍增因子，使接收系统获得最大信噪比.

为使星载激光高度计实现高空间分辨率, 提出了一种联合采用伪随机码调制光纤激光器和单光子计数的测距方法。讨论了此方法的实施方案, 推导了此方法用于测高时的信噪比公式。对方案中的激光发射功率、接收望远镜口径对信噪比的影响进行了数值模拟。对系统参数进行分析, 得到了相关参数的关系和优化的参数。结果表明接收望远镜口径为0.8～1 m, 激光出射功率约为10 W, 伪随机码调制宽度为600 μs, 调制速率为1 GHz时, 基于伪随机码调制和单光子计数的星载激光测高计能够使系统信噪比达到10, 距离分辨率达到15 cm。