针对目前移动机器人对环境地图构建精度低的问题, 分别提出了激光雷达测距、测角的标定方法。通过误差传播定律分析引起激光雷达的测距误差因素, 可知激光雷达测距误差主要是由回波强度和测量距离引起的, 推导出测距误差修正模型。通过分析激光雷达测角误差因素, 针对机械扫描轴与几何旋转中心偏心引起的误差, 提出了一种三角形标定方法, 建立测角误差修正模型。根据激光雷达测距、测角误差修正模型修改移动机器人坐标转换系统。实验结果表明, 测距标定使平面障碍物数据纵坐标差值的标准差提高了30%~60%, 接近物体真实几何特征; 测角标定方法使障碍物数据的重合效果提高了30%, 标定方法提高了移动机器人地图构建的精度。

对盖革模式APD激光雷达系统的距离像重构算法进行了研究, 设计了一种基于像素邻域核密度估计的重构算法。从系统原理出发, 结合探测概率模型研究了距离像重构算法的理论基础。根据系统特点提出了一种基于像素邻域核密度估计的改进算法, 并对其原理进行了分析。通过仿真数据对直方图算法和邻域核密度估计算法进行了验证, 以距离重构准确率曲线进行了定量评价对比, 并进一步将算法应用到真实盖革模式APD激光雷达数据中进行了距离像重构实验。实验结果表明, 在低帧数时, 基于像素邻域统计核密度估计的重构算法可有效提高距离像重构的效果。

多线激光雷达具有成本低、体积小、能直接获取场景地物表面的三维点云数据等优点, 已被广泛应用在无人驾驶、移动测量、机器人等领域。为减少遮挡, 提高点云密度, 两个或多个激光雷达常被集成在一起, 互为补充。不同激光雷达的安装位置和姿态不同, 要融合激光雷达的点云数据, 关键在于对激光雷达之间相对位置关系的检校。为检校激光雷达之间的相互位置关系, 提出了基于共面约束的检校算法。算法要求不同的激光雷达同时扫到相同的平面, 利用平面在不同坐标系下的对应关系求解激光雷达之间的相互位置关系, 并结合Levenberg-Marquardt (L-M)优化算法, 提高检校精度。该算法操作简单、通用性强、检校精度高。

为了提高末敏弹在复杂战场环境下对地面装甲目标的识别概率, 提出了一种用于弹载线阵激光成像雷达的目标提取方法, 结合末敏弹边旋转边下降的稳态运动特点, 实现了线阵列激光雷达对扫描区域的三维点云成像。首先通过对点云中高度数据分析, 提出了基于高度与梯度的组合阈值分割算法, 实现了地面背景的快速分割; 然后利用坐标变换, 对有坡度的地面进行调整, 并通过典型装甲目标的几何尺寸自动获取种子点进行区域增长分割; 最后利用最小外接矩形特征获取目标的几何信息, 由目标的几何特征实现装甲目标的提取。仿真结果表明: 此方法可以实现线阵列激光雷达在50~120 m高度下对地面装甲目标的准确提取, 从而为新型末敏弹目标探测提供技术支撑。

合成孔径激光雷达(SAL)能够实现远距离目标的精细成像。由于SAL基于距离多普勒原理成像, 将地面场景映射到成像平面上会引起高程信息的丢失。提出了一种基于距离向扫描的SAL目标三维重建方法, 通过距离向扫描体制SAL得到一定扫描角度范围内的多条合成孔径图像, 利用相邻条带图像目标的重叠成像实现三维重建。基于TerraSAR图像仿真计算结果表明: 距离向扫描体制SAL可以实现目标的三维重建。

气溶胶在大气光学、大气辐射、大气化学、大气污染和云物理学等领域具有重要研究意义, 是大气监测的重要要素。为了更好地研究大气气溶胶光学特性及其时空变化特征, 山东省科学院海洋仪器仪表研究所研制了基于532 nm波长、单脉冲能量60 μJ、可进行三维扫描测量的气溶胶激光雷达。主要介绍了激光雷达的结构设计、技术指标、探测原理、探测模式、观测实验与数据分析。通过激光雷达在青岛小麦岛海洋环境监测站的观测实验数据, 分析了不同天气条件下的大气水平能见度, 验证了时间-高度显示、距离-高度显示与平面-位置显示测量模式的有效性。通过多种观测模式的数据, 利用Fernald方法反演了不同时刻的气溶胶消光系数, 并分析了气溶胶与云光学特性的时空变化特征。探测结果表明: 扫描式气溶胶激光雷达可以有效测量大气水平能见度, 通过扫描系统可以获取不同方向的气溶胶性质分布特征从而扩展了其探测范围。多种探测模式相结合可以获取云、气溶胶和边界层时空变化特征。

高光谱分辨率激光雷达(High Spectral Resolution Lidar, HSRL)系统利用窄带滤波器将激光雷达回波信号中的大气粒子(云或气溶胶)散射和分子散射成分分开, 提升了云或气溶胶光学特性的反演质量。提出了一种基于HSRL探测原理的HSRL回波信号模拟方法, 其原理是利用CALIPSO云/气溶胶消光系数产品和数值天气预报数据被用来仿真星载HSRL 532 nm回波信号。两种典型的窄带光谱滤波器: FPI(Fabry-Pérot Interferometer)和碘吸收滤波器, 作为分子通道滤波器的性能通过仿真的星载HSRL回波信号进行分析。对三种典型: 晴空、卷云、气溶胶(两层厚云)的HSRL回波廓线进行详细的敏感分析表明碘分子吸收滤波器的性能明显优于FPI滤波器, 其中碘吸收滤波能保持可以忽略不计的相对偏差(<4.0×10-3%), 这是由低光学厚度(<1.0)的粒子后向散射效应引起的。但是, 如果FPI滤波器的粒子后向散射透过率能保持在10-3水平以下, 其仍不失为是一个好的选择。

水汽分子的3ν强振动吸收带位于935 nm附近, 差分吸收激光雷达在这个波段具有高探测灵敏度。不幸这一波段位于Ti: Sapphire激光器增益带宽的边缘和Cr: Alexandrite激光器增益带宽之外, 染料激光器有较高的自发荧光成分而使其光谱纯度不高, 光参量频率转换器可以用作该波段水汽差分吸收激光雷达的发射机。动态稳定的环形谐振腔中有一对走离补偿的、70.7°切角的KTP非线性晶体。它由种子注入单纵模Nd: YAG激光器的二倍频532 nm光脉冲泵浦, 脉冲重复频率10 Hz。通过935 nm分布反馈半导体激光器种子注入和“ramp-hold-fire”方法, 主动锁定光参量振荡器谐振腔的腔长。发射机平均输出功率达到4.5 W, 脉冲长度6 ns, 光(532 nm)-光(935 nm)转换效率大于17%, 光频的短程和长程频率稳定性30 MHz(RMS)。光束质量M2大约7.8, 光谱纯度可以达到99.9%。它将是空间探测大气水汽廓线遥感器的候选光源之一。

分别利用高斯拟合估计算法(Gaussian fitting estimation algorithm, 以下简称Gauss估计算法)和最大似然(Maximum Likelihood, ML) 离散谱峰值(Discrete Spectral Peak, DSP)估计算法(ML DSP)处理实测回波信号, 计算得到风速扰动的功率谱密度(Power Spectral Density, PSD)。根据Kolmogorov湍流理论中PSD与频率的-5/3关系, 比较不同距离门下的PSD, 采用高频区域的风速误差作为风速估计性能参数, 分析比较不同距离情况下风速误差, 并利用自相关系数分析风速时间变化的相关性。结果表明: 在距离较低的探测区域Gauss估计算法的风速误差微弱小于对应的ML DSP估计算法, 二者之间的风速误差差值最多不超过0.05 m/s。而在距离较高的区域, 两种算法的风速误差差值从820 m处的0.06 m/s增加至1 200 m的0.16 m/s。在风速的时间相关性分析上, Gauss估计算法的风速时间自相关系数明显大于对应的ML DSP估计算法, 说明Gauss估计算法处理的风速数据更具有稳定性。

针对机载合成孔径激光雷达实测数据成像中旁瓣较高的问题, 提出一种新旁瓣抑制算法。压缩感知理论表明, 稀疏信号恢复重构过程的同时, 信号旁瓣会被压低, 但合成孔径激光雷达图像不是稀疏的。针对这一问题, 提出了一种基于改进SVA(Spatially Variant Apodization)和压缩感知重构SAL图像的旁瓣抑制算法。首先, 利用改进SVA算法将SAL图像变稀疏, 然后再利用压缩感知算法对稀疏图像进行恢复。分别对SAL仿真数据和实际高旁瓣SAL复图像进行抑制旁瓣处理。仿真结果表明: 该算法能够在保证主瓣不被展宽的前提下有效抑制SAL旁瓣。