Geiger mode Avalanche Photo Diode(Gm-APD)激光成像雷达三维重构算法的目标检测率、目标还原度等受预处理影响较大，不适当的预处理会导致目标缺失，信噪比降低。预处理通常使用高斯函数或双高斯函数进行卷积，滤波函数中不合适的方差同样会导致目标复原度变低。针对此问题，分析双高斯函数预处理方差组合对探测概率的影响，同时通过Monte Carlo仿真，分析固定激光能量下，固定帧数、不同背景噪声的最佳方差组合变化。拟合得到不同背景噪声水平下的最佳方差模型。最后使用真实实验进行验证，方差模型求得的最佳方差组合可达到实际90%以上最佳目标还原度。该模型对于实际信号处理具有理论指导作用。

Geiger mode Avalanche Photo Diode(Gm-APD)激光成像雷达三维重构常用的峰值法对于异常峰会提取到错误的目标位置, 阈值选取整数会造成重构三维像信噪比不高及目标缺失等。针对此问题, 提出了基于加权一阶类高斯匹配滤波算法, 通过对脉冲回波触发频数直方图的拟合归一化得到权重窗口平滑直方图再次选取峰值位置进行重构。应用基于Poisson分布的Gm-APD触发模型理论推导得到该算法的探测率及虚警率表达式并与峰值法对比, 理论结果为使用基于加权一阶类高斯匹配滤波算法提取到目标的概率更高, 通过Monte Carlo仿真验证了理论推导结果。最后使用两种算法对真实实验数据进行三维重构, 主观及客观对比其重构得到的三维距离像, 基于加权一阶类高斯匹配滤波算法在复原效果上较峰值法有了明显提升。结果表明, 基于加权一阶类高斯匹配滤波算法在处理低信噪比、实时三维重构等方面具有良好的实际应用前景。

微通道板电压与增益对数理论上呈线性关系, 为了更接近实际情况, 根据已知的微通道板电压与增益对数的函数关系选取一组线性数据点, 并在其基础上加一组随机数作为波动, 得到新的电压与增益对数的关系, 获得指数拟合公式, 用于还原目标的距离信息.对成像准确度进行理论分析, 结果表明成像准确度与系统信噪比和增益调制函数有关, 且信噪比越高, 距离准确度越高.测量了微通道板增益与电压的关系曲线, 在不同电压条件下照射同一距离同一目标得到回波图像, 利用不同电压下回波图像灰度值之比得到相对增益之比.分别在恒定增益和调制增益下, 对距离成像系统60m的目标进行成像, 利用增益曲线对所得的图像进行处理, 准确还原出目标的距离信息, 准确度达到分米量级.

距离选通激光主动成像在动态环境下会产生错位畸变。针对错位畸变，采用Zernike矩不变量作为图像畸变评价参数，在运动成像条件下，计算不同成像帧频下矩不变量的标准差。通过矩不变量的标准差的相对变化，反映出图像的畸变程度。利用Vega仿真平台模拟激光成像雷达，获取距离选通成像的仿真图像。在实验室建立成像装置和车载平台以获取实验图像。仿真与实验结果都表明，成像帧频大于5 Hz时，合成图像无畸变。实验与仿真结果证明Zernike矩不变量可以对动态成像的畸变进行有效的评价。

距离选通激光成像雷达能够同时获得目标的主动像和被动像，通过主被动像的数据融合可以获得更为丰富的目标信息，提高目标识别及抗干扰的能力。提出了适合距离选通激光雷达的图像融合方案和改进的基于小波的融合算法，将激光强度像与被动像融合成为复合强度像，在保留被动像丰富信息的基础上，滤除被动像中目标以外的背景，再将复合强度像与主动距离像融合，合成出三维距离像。实验结果表明，该方案能够在保留距离信息的同时，有效地提高距离像的清晰度，丰富图像信息。

为检验与评估激光雷达系统组成模块及器件的性能指标及各个模块及器件协同工作系统效率，建立了外差成像激光雷达电子跟踪器半实物仿真平台。在虚拟设计思想指导下，采用半实物仿真模式设计电子跟踪器仿真平台，并根据激光雷达方程将电子跟踪器仿真平台模块化。基于朗伯散射理论建立了仿真目标场景库模块；基于激光束空间分布理论建立了信号模拟器模块；基于微弱信号检测理论建立了中放模块、数据采集逻辑控制模块和成像及数据分析模块。将五大模块系统集成构成电子跟踪器半实物仿真平台，并进行联调实验评估模块协同工作系统效率；应用中频放大器代替中放模块进行真实器件性能指标评估实验。实验结果表明，电子跟踪器半实物仿真平台能够重现成像激光雷达工作过程，可分析各个模块协同工作效率；能够评估激光雷达组成器件性能指标，并根据具体应用需求给出分析结果，为激光雷达系统组成模块及器件的性能指标评估提供了一种可靠的分析手段。

基于激光成像应用背景,重点围绕距离选通激光成像仿真系统展开了研究。通过探讨距离选通激光成像原理,设计了成像系统的仿真方案;分析并研究了系统的各个子模块,进而获得了实现系统的相关技术指标;选用LabVIEW软件,构建了仿真系统的各个模块:大气模块、目标模块、噪声模块、收发系统参数模块、信号处理和显示模块;在各仿真模块的基础上集成了距离选通激光成像仿真系统,获得了不同距离和不同模型下的探测成像结果,在远距离10 km的情况下,成像距离分辨率达到1.5 m。最后,通过实际的成像验证实验,验证了距离选通激光成像仿真系统的实用性。

在调频/连续波(FM/CW)无扫描激光成像雷达系统中,高功率输出的宽带强度调制激光发射机是其中的一个关键部件。为了实现远距离、高精度的目标探测,发射机需具备10 W量级的光输出功率、大于70%的调制深度、良好的调制线性以及200 MHz以上的调制带宽。综述了用于FM/CW无扫描激光成像雷达的各种高功率激光发射机调制方法,包括半导体激光的直接内调制方案、体材料外调制方案以及波导调制激光结合光放大的方案,分析了它们各自的优势及问题,并提出一种基于电吸收调制的阵列激光调制方案以及作为一种过渡方案的电吸收调制激光器结合光放大的激光调制方法。

边缘检测是激光雷达图像处理的重要组成部分,其性能直接影响雷达系统的精度和性能。针对激光雷达图像的特点,提出了一种基于小波变换和数学形态学方法结合算法对激光成像雷达图像进行边缘检测。首先从小波理论出发,从小波多尺度分解入手,对图像分解的弱边缘信息适当加强,然后对加强边缘信息的的图像从灰度形态学的角度出发,对图像进行腐蚀或膨胀,进行边缘提取,而后得到其边缘。用Matlab进行仿真实验,结果表明:结合算法边缘算子对激光雷达图像检测效果优于仅用小波或仅用形态学进行边缘提取的效果; 在边缘精度、强弱边缘提取和噪声抑制方面,证明所提方法是有效的。