提出一种基于单光子阵列相机的激光测速方法，该方法可以在单光子量级的回波强度下，同时实现对目标横向速度和径向速度的测量。搭建了一套室内阵列测速激光雷达系统，验证了阵列时间相关单光子计数技术对运动目标进行横向和径向测速的可行性。通过信号预处理方法从空间和时间两个维度滤除背景噪声，利用质心检测和峰值检测确定目标的时变三维空间坐标，利用最小二乘法进行数据的线性拟合获得目标的横向和径向速度值。结果表明，帧积累数与最佳的测速性能有关。该方法可以在微弱的光照环境下实现对远距离运动目标的速度测量，未来还有望实现目标速度图像的获取，为远距离复杂运动目标的识别提供技术支撑。

激光雷达是一种能够快速获取目标三维信息的光学传感器，凭借精确定位与高效识别能力，其在**侦察、无人驾驶、空间交会对接等领域发挥着越来越重要的作用。然而在浓雾、烟尘、海水等复杂的气候或环境下，传输介质对光场的强烈散射作用会造成传统激光雷达接收信号的严重退化，致使其性能迅速降低，甚至根本无法正常使用。针对该类环境下接收信号的退化特性，首先建立了Monte Carlo的Mie散射瞬态光场传输模型，接着通过计算机模拟仿真了传输光场的时域分布规律，针对该规律研究了时域信号去散射效应的滤波算法，最后在实验室搭建了基于时间相关单光子计数的穿透成像激光雷达系统，开展了雾气模拟环境下的成像实验，结果验证了该穿透成像激光雷达系统的处理方法对目标图像重构质量的提高具有较好的效果。该研究为激光雷达在复杂散射环境中的进一步应用提供了基础。

采用时间相关单光子计数技术的激光雷达具有更高的灵敏度，而利用偏振探测技术可以增加对目标的识别能力。搭建了基于偏振检测的时间相关单光子计数成像系统，对不同材质、相同和不同深度的目标进行了成像。结果表明，在单脉冲回波光子数0.04个的情况下，能够利用偏振探测方法获得目标回波的偏振信息，且对比强度图像和深度图像，偏振图像中目标的边缘更加清晰。

铌酸锂薄膜因其优异光学性能及容易与结构紧凑的光波导等器件相集成等诸多优势, 目前已经成为可调谐Fabry-Perot滤波器、电光调制器等器件领域向集成化和微小型化趋势发展的首选光学材料。由于光波导和光纤的尺寸差异而引起了严重的模场失配使得光纤与光波导耦合时存在着较大的插入损耗问题。 仿真分析了超高数值孔径光纤和脊形波导直接耦合时, 其光场模式分布、折射率、耦合效率和耦合损耗等关键性能的相互影响。结果表明当刻蚀深度和宽度分别为300 nm和0.8 μm时, 铌酸锂脊型波导与单模光纤(UHNA7)的耦合效率可达33.8%, 而耦合损耗为4.71 dB。仿真比较了上包层材料替换为二氧化硅和氮化硅材料时, 脊型波导和单模光纤的耦合效率显著增加到63.4%而耦合损耗被降低到 1.98 dB。

可调谐法布里-珀罗谐振腔目前是在光通信、传感器和激光器等领域被广泛应用的光学器件。按照调谐方式可分为光纤型F-P腔、微机械型F-P腔和电光型F-P腔, 每种均有相应的优点和优势领域。综述了可调谐F-P腔的研究进展, 包括器件结构、性能参数两方面, 并分析了各类可调谐F-P腔器件的性能差异和未来的应用前景。

受激布里渊散射效应被广泛用于微波光子学频率测量中, 然而该效应的测频系统存在扫描时间长、响应速度慢的问题, 为了提高该系统的扫描效率, 提出了基于频率梳泵浦和游标效应的改进方案。阐述了此方案的测频原理和改进机制, 并进行了理论分析和仿真验证。改进后的系统在频率测量精度100 MHz、系统带宽50 GHz时, 扫描次数降低为原来的7%, 在相同精度和扫描次数下, 带宽更大, 表明新方案的系统性能得到了大幅提升。

研究了基于奇相干叠加态的超分辨量子激光雷达方案。根据量子光学理论，分别推导了基于传统的强度差探测，量子信息中的投影测量和奇偶光子数分辨探测方式的输出信号的表达式并进行了分析和讨论。通过以上的分析和讨论，重点研究了奇偶光子数分辨探测方法。同时借助数值计算展示了基于奇相干态联合奇偶光子数分辨探测的超分辨率激光雷达的两种超分辨率特征，即窄峰型和多重窄峰型的干涉条纹。最后，从模型本身出发解释了多重窄峰型超分辨的物理机理。

简要介绍了光纤阵列成像激光雷达的研究背景、系统优势和发展现状。然后提出了本文设计的雷达系统, 并介绍了该系统的工作原理, 系统采用光纤阵列前端窗口扫描的方法, 避免了光电探测器阵列的制作, 同时减少了光电探测器的数量。之后文章对光纤阵列成像激光雷达系统的各部分器件进行分析, 包括光纤的选择、光纤阵列的设计和聚焦透镜的分析, 并重点讨论了聚焦透镜 F值对光纤阵列接收系统的影响, 最终得到本系统聚焦透镜 F最优值 5.47。最后推导了本文光纤阵列成像激光雷达系统的传输效率, 给出了传输效率公式。