飞行高度1000 m、飞行速度200 km/h的机载激光雷达（LiDAR）在测量海域的海底地形时，需要控制LiDAR中的二维振镜扫描系统，使激光脚点达到探测幅宽350 m以上、扫描网格点密度在1 spots/m²以上的圆锥扫描轨迹。根据二维振镜结构的特性，本文通过改进的Bresenham算法生成控制系统中步进电动机的触发信号，并对由二维振镜系统导致的光束横向偏移误差进行补偿，使扫描角误差降低至0.24 mrad以下。通过仿真实验验证了Bresenham算法可使机载LiDAR的二维振镜扫描系统达到水面激光脚点密度1~5.59 spots/m²和扫描角10°~60°的圆锥扫描，进一步证明了由算法导出的触发信号有效性。

浅水激光雷达回波信号中混有高斯白噪声及系统自由振动时产生的固有频率成分,因此较难从较低信噪比的回波信号中获取目标的距离与特征,需要进行降噪处理。根据全波形回波及固有频率的频域特点,提出了一种改进的经验小波变换方法,并将其用于浅水激光雷达信号的降噪。首先对实验室自制的测深激光雷达系统测到的回波信号进行分解,得到降噪后的回波、噪声及固有频率成分,然后针对降噪后的回波信号,进行非线性阻尼最小二乘算法拟合优化,最终得到全波形回波的分解信号并测得水深。利用MATLAB建立信号模型,对比常用降噪算法处理的降噪效果,结果显示,改进的算法在计算时间、信噪比和均方误差等方面有明显优势;对比0.5~3.0 m水深范围内不同降噪算法的实测回波处理效果,经所提方法降噪后,回波信号的测深误差小于0.1 m。

采用公式推导和仿真优化相结合的方式, 设计了一种测量水深的LiDAR光机系统。该系统光源采用532 nm和1 064 nm双频激光器, 设计532、647、1 064 nm三个接收通道, 拟定飞行高度140~500 m, 可变扫描角9°~15°, 发散角小于0.5 mrad, 水面点密度范围约为0.687~4.170点/m2。设计拉曼波段作为水深测量波段, 提高浅水区测量效果, 利用可变扫描角实现了不同高度下幅宽可固定、兼顾高分辨率和大视场角, 以适应不同应用场景。

对激光雷达距离探测中的回波信号建模, 提出一种窗宽自适应形心修正算法, 根据窗宽与饱和度的关系建立窗宽自适应模型以获取形心, 并采用中位数修正, 实现高精度饱和波形时刻提取.利用Matlab进行仿真分析, 结果表明当信噪比为10 dB时, 窗宽自适应形心修正算法精度为0.3 ns, 相比于传统形心算法提高92%, 可有效解决形心漂移问题.利用板级系统实测波形验证算法, 并针对实测波形的微小畸变修正该算法, 结果表明在饱和波形下该算法时间精度可达0.5 ns, 可实现7.5 cm的测距精度, 有效增大测距动态范围, 降低系统复杂度.

为实现大动态范围信号的有效接收, 设计了一种三路并行的信号处理架构, 分别设置为低、中、高三种不同增益, 以实现不同水深下不同幅度的回波信号处理.同时利用数据拼接方法以及一种基于五角函数和高斯函数组合的拟合算法综合处理三路数据并进行水深评估.基于Wa-LID回波仿真模型得到回波数据, 验证多路并行处理架构的实用性.仿真结果表明, 本文提出的多通道处理技术可测信号的动态范围达86.9 dB, 对应的最大测深为26 m, 测量偏差为1.6 cm 至4.7 cm, 标准差小于1.1 cm.可有效应用于机载激光雷达测深系统.

提出并设计了一种适用于激光3D成像的盖革模式雪崩光电二极管(Geiger-mode avalanche photodiode, GM-APD)阵列像素读出电路。基于飞行时间(time-of-flight, TOF)原理, 像素读出电路主要由两部分组成: 有源淬火电路(active quenching circuit, AQC)和时间数字转换器(time-to-digital converter, TDC)。所采用的TDC是粗细结合的两段式计数方式, 成功实现了时钟频率和时间分辨率间的折中。基于内插技术, 由粗计数的线性反馈移位寄存器和细计数的延时线型TDC共同实现了高达18-bit的动态范围。同时两者的时钟频率分别降低至250 MHz和500 MHz, 分别是常规设计频率的1/20和1/10, 大大降低了设计和应用难度。电路采用SMIC 0.18 μm工艺设计, 后仿结果显示达到了200 ps的高精度时间分辨率, 对应的距离分辨率为3 cm, 完全能够满足3 km激光3D成像中的测距要求。像素电路版图面积小于50×95 μm2, 总功耗为0.89 mW, 具有小面积和低功耗的优势。