非视域成像技术是一种新型光学成像技术, 主要是对拐角处的隐藏物体进行成像。针对目前成像设备复杂和需要场景扫描, 导致数据采集速度慢的问题, 提出采用纳秒激光和APD阵列探测器的透射式成像试验装置, 可以实现快速数据采集, 不需要进行场景扫描, 相比之前的系统大大缩短了数据采集时间。针对仅能在稀疏角度或有限角度下采集数据而导致图像重建结果差的问题, 提出使用最大似然期望最大化(maximize likelihood estimate maximization, MLEM)迭代算法进行隐藏物体三维图像重建。试验结果表明, MLEM迭代算法能够较好地重建隐藏物体的形状, 并有效抑制传统的反投影算法带来的伪影。对比反投影算法, 隐藏物体在深度位置150 cm处, 3次迭代(第3、6和10次)结果图的结构相似度(SSIM)值分别提高了0.232 1、0.387 8和0.438 9; 在深度位置190 cm处, 3次迭代(第3、6和10次)结果图的SSIM值分别提高了0.314 6、0.401 3和0.431 3。这表明MLEM算法对重建图像质量有较大提升。

基于全波形采样技术, 构建了一套64路APD阵列激光雷达系统。利用分立元件设计了信号处理电路, 并使用数据采集卡对电路的输出信号进行全波形采样。通过基于最小二乘的高斯分解法对采集波形数据进行处理, 并通过优化后的参量计算分析目标的距离和特性。搭建共光路实验平台, 分别测试了全部通道的电路输出波形和测距精度。结果表明, 信号处理电路达到了低噪声、宽带宽、无失真放大的设计要求; 系统测距均方根误差最大为16.10mm, 最小为8.47mm。最后进行了台阶成像实验, 为将来更大APD阵列非扫描激光雷达的研制提供参考依据。

盖革APD阵列探测的激光成像雷达具有高灵敏度、高帧频、宽视场、坚固、体积小等优点, 成为了激光成像雷达发展的趋势。但目前APD阵列像元填充比低, 器件阵列少, 无法满足高分辨率激光成像的要求。为了解决该问题文中提出采用激光点阵发射的方法与APD阵列像元一一对应, 采用拼接技术提高成像分辨率, 采用微扫描技术提高激光成像视场。通过构建实验系统, 完成了室外试验, 成像效果良好, 使用现有APD探测器(32×32)将系统空间分辨率提高了四倍(64×64), 提高了激光三维成像能力。

APD阵列可提高光子探测效率, 然而在回波探测概率提高的同时提高噪声探测概率, 因此需合理选择阵列单元数以提高探测信噪比。根据回波和噪声在距离门内的分布情况, 结合光子探测概率, 建立了盖革模式下APD阵列探测信噪比随阵列单元数的变化模型。讨论了回波光子数、背景噪声强度、回波在门控内位置、占空比等因素对探测信噪比的影响。分析结果表明, 提高回波光子数、探测器占空比、轨道预报精度有助于增加APD阵列的探测信噪比; 4元APD阵列适用于回波光子数小于0.1、门控内噪声光子数小于1的观测情况, 而回波和噪声强度较强时, 25元APD阵列能够取得相对较优的探测信噪比。建立的APD阵列探测信噪比模型有助于快速选择APD阵列单元数以达到较高探测信噪比。

针对光波导相控阵扫描角度大、速度高的特点, 设计了光波导相控阵激光雷达的接收系统。该系统采用大视场凝视型的单孔径接收望远镜和APD阵列探测器, 进行目标信号的接收转换与目标角度测量; 同时采用微透镜阵列(MLA)以弥补APD阵列产生的探测视场空白, 提高回波信号能量利用率。首先给出了设计的总体方案, 选择并设计了系统的具体参数; 针对选择的器件参数, 根据激光雷达方程对系统的性能进行了分析。研究结果表明: 所设计的接收系统具有体积小、结构紧凑的特点, 性能指标可满足相控阵激光雷达的探测需要。

为了实现对目标的无扫描阵列激光三维成像并研究系统参数对三维成像距离分辨率的影响; 研制了8×8 pixel激光三维成像接收机。接收机采用线性模式APD阵列; 设计了模拟信号放大、阈值处理将回波光信号转换为数字信号后; 利用FPGA设计实现64通道高精度阵列计时系统; 实现了对目标的无扫描实时三维成像功能。首先对设计完成的三维成像接收机组成及成像原理进行了介绍; 对三维成像接收机中APD探测器阵列信号的模拟处理和数字处理流程和实现方式进行了说明。随后分别对三维成像的核心FPGA计时系统及探测器整体进行了电子学测试和实验测试。测试结果表明; FPGA计时子系统的时间分辨率优于140 ps; 三维成像系统整体距离分辨率在02 m左右。最后对分辨率的误差进行了分析; 结果表明; 激光回波强度波动是影响此接收机距离分辨率的最主要因素。