针对红外图像中由复杂背景和目标多形态带来的单帧检测暗弱小目标比较困难的问题,提出了一种先进行阈值分割粗提取,后进行多点信噪比精检测的算法。在粗提取阶段,提出了改进的基于稳健主成分分析(RPCA)的阈值分割算法,利用邻域稀疏度均值与整幅稀疏图像均值的比值进行阈值分割,从而进一步剔除孤立噪点和背景云层边缘的杂波。在精检测阶段,提出了基于统计特性的多点恒虚警检测算法,统计候选点在邻域内每个像元的信噪比,利用虚警率门限和统计数量阈值筛选目标点,从而克服由小目标能量弥散带来的多形态特征问题。实验结果表明,所提算法在复杂背景下的探测率达到95.6%,与利用单像元和邻域像元均值计算信噪比的方法相比,虚警率分别降低了56.1%和47.1%。

消光比和探测器噪声是决定纳米线栅偏振成像偏振精度的两个重要参数。为解决两参数在系统优化时的取值问题,本文建立了两参数与偏振噪声的数学模型，采用像元组接收光电子数作为衡量探测器噪声与系统偏振噪声的桥梁量化了两者关系。仿真分析比较了两参数在入射光偏振态变化时对偏振噪声的作用。然后搭建消光比和曝光时间可调的偏振成像系统精度实验平台，验证该数学模型和仿真结果。仿真与实验共同表明，系统消光比大于20后，通过提高像元组接收的光电子数以抑制探测器噪声要比继续提升消光比对提高系统偏振精度的贡献大。

金属纳米线栅是像素刻划偏振相机的核心器件,线栅上刻划了与光电探测器像元一一对应的微偏振片阵列,该阵列具有较大的非均匀性,对成像质量有较大影响。基于此,根据纳米线栅的结构与偏振传输理论,建立纳米线栅像素级矢量传输矩阵的测量数学模型,并结合矩阵最小二乘法,推导出多次测量以拟合最优传输矩阵的方法,为偏振相机像素级非均匀性矫正提供了核心的矫正参数。然后,兼顾纳米线栅刻划方式,提出了高空间分辨率的矫正算法。通过矫正后,偏振相机非均匀性由原来的2.00%降低至0.26%。外景成像实验中,目标偏振度图像的信息熵由5.34提升至15.15。结果表明,所提算法可以有效矫正纳米线栅的非均匀性,提升了偏振图像质量。

针对像素级偏振相机中偏振片单元由于刻划精度和透过率的差异导致偏振片阵列的非均匀性，提出了一种带有角度约束的最小二乘超像素校正方法。建立了带有角度约束的校正优化算法的数学模型，加入了超像素的标量增益和暗补偿参数。最后，搭建了以微偏振片为核心的积分球标定系统，进行了仿真实验和成像实验。结果表明：与最小二乘法相比，本文算法在有效地校正偏振度和非均匀性的同时也校正了超像素内振幅的非均匀性，重建角度的准确度提高了10%。经过插值处理后，边缘表现更为明显，有效减少了插值过程中所产生的噪声，提升了成像质量。

为了研究凝视型激光主动成像系统对非合作目标的成像性能及在目标跟踪中的应用,设计了基于APD阵列和分束照明的凝视型激光主动成像系统。对激光回波功率与目标距离之间的关系进行了理论分析, 结果显示: 200 m外目标的回波功率小于1 μW。为提高系统作用距离, 选取高增益带宽积跨阻放大器OPA657N提高系统增益, 并通过优化元件布局来克服高跨阻值时的通道串扰。实验验证了距离方程的正确性。在此基础上, 采用八连通团块检测方法实现目标探测, 并对两轴目标跟踪进行了实验验证。结果显示: 系统能够对200 m处非合作目标稳定成像, 并能获取420 m处非合作目标的回波信号; 当目标在俯仰轴、偏航轴方向行程大于2.5°时, 系统能够实时探测并稳定跟踪。

为提高成像效率, 研究了基于雪崩光电二极管(APD)阵列和分束照明的直接测距型无扫描激光主动成像系统。系统采用脉冲激光器作为光源, 通过测量激光脉冲飞行时间来获取目标距离信息; 基于达曼光栅进行分束照明以提高能量利用率。另外, 光学系统采用收发共孔径结构, 保证了目标处激光脚点和APD阵列各像元的几何对准。与参考APD所采用固定阈值时刻鉴别法不同, 系统采用固定阈值与恒比定时相结合的时刻鉴别法处理回波APD阵列的输出信号以适应外光路参数的变化。各通道采用专用计时芯片TDC-GP22测量启停脉冲之间的时间间隔, 实现了45 ps的计时分辨率。最后, 将19 m和31 m处放置的两个角反射器作为合作目标进行了成像实验, 并给出了所获取的距离图像。结果表明: 两个目标的平均距离分别为19.28 m和31.54 m, 测距误差分别为0.28 m和0.54 m, 显示提出的设计方案切实可行。

激光雷达回波信号的建模仿真和分析是激光雷达成像、探测与目标识别技术的一项重要研究内容。通过对机载扫描激光雷达激光回波的数学模型进行研究，提出一种基于坐标变化的求解光线行进距离的新方法，其仿真运算量仅决定于仿真中的子光斑数，对于复杂场景的建模仿真有较大优势。基于上述方法，仿真了Z 扫描式机载激光雷达系统作用于带有遮蔽物的复杂三维目标场景所得的激光回波波形，并给出了仿真结果。分析结果可知，激光回波波形不仅携带目标的距离信息，还携带了目标的反射率信息及面型信息。为利用激光雷达进行遮蔽物下的目标识别与探测奠定了基础。