水下环境获取图像存在对比度下降、清晰度降低、信息衰减等问题。传统方法是对整幅图像的偏振信息进行估计处理，水下图像中目标具有复杂的偏振特性，导致某些目标区域的复原效果欠佳，发生退化。本文提出了一种水下降质图像偏振参数分区优化复原方法。首先经分块对比度加强和引导滤波对两幅偏振正交图像处理后提取高低偏物体的连通域，根据偏振度图像各像素点的值进行分区，优化了对低、高偏振度目标物区域的提取过程；其次分别估计各目标物的目标光偏振度，解决了传统方法中全局估计中复杂目标的错误估计问题；最后对后向散射光偏振度图像进行迭代优化，得到最优选区。实验表明：本文实验结果的主观视觉质量提升显著，前两组实验在低浑浊度下对比原始光强图，客观评价指标EME值提升平均达554%，对比度则平均提升528%，第三组实验在低照度高浑浊度环境下对比原始光强图，EME值提升达379%，对比度则提升956%。三组实验自然图像质量评价指标NIQE值表现良好，图像更加自然。本文的方法较传统方法能有效地复原水下浑浊图像，增加图像对比度，削弱信息衰减，实现更好的图像清晰化效果。

针对传统激光SLAM在长走廊、隧道等退化环境下系统精度低或算法失效，且存在常规环境下回环检测稳健性差等问题，提出一种面向未知环境的紧耦合激光SLAM方法。首先，采用紧耦合框架，融合LiDAR与IMU信息，修正IMU零偏，为LiDAR里程计提供高精度先验信息；其次，计算LiDAR里程计雅克比矩阵，实时检测环境几何信息维度，融合轮式里程计与IMU数据，补偿LiDAR里程计自由度；最后，构建变阈值回环搜索模型，采用不同配准方法分析对应阈值的关键帧信息，提高回环检测召回率。长走廊环境中，所提方法定位误差较A-LOAM、LIO-SAM分别降低了91.04%和97.37%；常规环境中，在满足回环检测准确率为100%的条件下，所提方法召回率较LIO-SAM提高了35%。实验结果表明，所提方法具有较高的鲁棒性与定位精度。

针对在飞行目标位姿估计中背景复杂、目标提取及位姿解算精度低、速度实时性差等问题，提出了一种激光与图像信息融合的飞行目标位姿估计方法。首先，建立彩色相机和激光雷达间的坐标变换模型实现两传感器像素级匹配，对同一时刻的图像和点云进行融合处理；其次，采用ViBe算法与深度信息融合对图像中运动目标进行提取，并根据图像目标的位置框选出对应的点云；最后，利用PnP算法进行特征点粗配准，获取点云间初始旋转平移矩阵，并采用迭代最近点算法进行精配准，利用IK-D Tree加速临近点搜索，提高配准速度。使用仿真试验和半实物仿真试验对方法准确性和稳定性进行了验证，结果显示：二维图像目标检测算法正确率为97%，错误分类比为0.0112%；位姿估计算法与传统迭代最近点算法相比精度提高了53.2%,单次耗时从261 ms降低至132 ms，效率提升约49.4%，与其他算法相比也具有一定优势。为飞行目标落点精准预测和制导控制提供解决思路。

针对非合作目标线阵雷达成像点云数据获取过程中在轨验证试验成本高、空间环境复杂和控制难等问题，以非合作目标三维重建数值模拟为基础，研制模拟空间服务航天器绕飞采集过程半物理仿真地面验证系统。采用KUKA六轴机械臂搭载缩比卫星模型，还原非合作目标的运动状态，并利用三轴精密转台搭载线阵扫描雷达实现非合作目标可测部位数据采集，通过综合控制系统完成目标扫描及数据处理。利用该半物理地面验证系统，开展缩比比例为1∶10的非合作目标多视角数据采集试验；通过建立分辨率精度评估、吻合度评估和实际运动与控制运动的误差分析准则，进行评估试验。试验结果表明：该系统可以有效获取多视角状态下非合作目标的点云数据，根据点云数据测量计算的目标章动运动角度与目标真实运动角度误差在4%以内，可为未来空间在轨操控与三维重建技术提供真实的技术数据参考。

空间非合作目标的相对位姿测量问题成为空间在轨操作任务的重难点，通过对激光雷达获取的目标三维点云进行聚类，得到小规模、特征明显的聚类点云，有效提高了配准效率和精度。针对基于区域生长的聚类算法在对可视点云进行聚类时，特征相似部分无法聚类识别的问题，提出了二维图像优化三维点云聚类的方法。该方法将深度值信息和RGB颜色值建立数学映射关系，点云降维后，利用颜色梯度突变进行边界提取，将边界内的点逆向恢复到原始点云，最后将各个类的点云进行合并，得到易于识别的显著特征点云。实验结果表明，在配准角度误差为±5°的条件下，可有效地缩减点云规模并保留了显著特征，提高ICP配准算法的计算效率，为解决空间非合作目标相对位姿实时测量提供技术支持和解决思路。

针对水体浑浊情况下，水中悬浮粒子对光的吸收和散射作用造成图像模糊、对比度低等问题，提出了一种偏振参数最优重构的水下降质图像清晰化方法。首先，通过局部最小值滤波估算水下背景光图像，引入 Stokes 矢量原理计算偏振度，通过归一化互信息进一步优化偏振度信息，获取成像区域最优的重构偏振参数；其次，采用形态学的方法重建图像自动估计水下无穷远处背景光值；最后，搭建了水下环境模拟平台，通过单通道偏振探测器实时获取水下偏振图像；为了验证算法的有效性，通过三种客观评价指标与其他复原方法进行比较，结果显示算法效果优于其他的水下图像复原方法。