受光子探测概率和探测器死时间的影响，多次累积得到的光子探测概率分布信号相对于真实目标回波信号往往会产生畸变，影响准确目标信息的提取。为此开展低信噪比条件下光子探测回波信息恢复方法研究，基于光子探测回波模型，提出基于局部退火的目标回波粒子群优化算法。仿真结果表明，不同信噪比条件下目标回波信号恢复性能的稳定性较好，在仿真条件下，算法得到的回波信号与真实回波信号的差异度控制在0.005以下，测距误差保持在3.4 cm以下。实验结果表明，该算法也能较好地恢复纵深目标信息，得到的目标纵深距离信息误差为3.45 cm。

光子测距具有灵敏度高,探测距离远的特点,目标形状和姿态对光子测距的影响不可忽略。针对扩展平面、球面和非球面三种典型目标,建立了扩展目标光子探测回波概率分布模型,推导出不同倾斜角下混有时空分布的光子回波概率分布一般方程。实验表明,扩展平面的光子回波概率分布与数值计算结果一致。理论仿真分析了扩展目标的光子回波概率分布特性,讨论了光子测距误差与扩展目标类型和倾斜角间的变化规律。结果表明:平均回波光子数为3.9,目标处激光光斑半径为0.2m,倾斜角小于20°时不同扩展目标间的光子测距误差小于1.23mm;光子测距误差随着目标倾斜角的增大逐渐增大,且扩展平面目标测距误差受倾斜角影响最大。

通过研究目标镜面反射造成的测距误差,及分析强度数据与测距误差之间的关系,建立了一种基于原始强度数据的目标镜面反射测距误差模型。研究结果表明,利用原始强度数据可以建立一种测距误差修正模型,该模型不受目标材质和表面几何形状的影响,可以精确地对距离数据进行修正,对提高地面激光雷达的数据精度具有重要意义。

对于飞行目标轨迹测量中常用的脉冲激光测距系统,回光波形的变化对其测距精度的影响尤为显著。为了研究回光波形变化造成的测距误差,深入分析了复杂三维飞行目标的回波特性。以典型的调Q脉冲激光测距为基础,探讨了调Q脉冲激光发射脉冲的数学描述,建立了一种通过飞行目标的反射特性、表面形状及姿态信息计算回波功率分布的理论模型。在此基础上,以典型目标为例建立了目标模型,通过仿真模拟研究了脉冲激光回波特性,分析了目标姿态变化对回波特性及回波畸变测距误差的影响。搭建了脉冲激光测距实验系统,加工制作了模拟目标并进行了验证实验。实验结果表明,飞行目标姿态变化引起的回波脉冲展宽及回波畸变测距误差变化规律与理论分析基本一致,验证了所建理论模型的有效性。

为全面评价激光定距引信的探测能力, 确定其随距离变化的规律, 通过推导脉冲激光测距回波方程, 建立脉冲激光测距数据分布解析方程并提出误差量化评价方法。仿真分析并评估了探测距离对回波信号及探测能力各指标的影响, 最后通过试验得到验证。结果表明: 可靠测程内, 引信可实现可靠探测, 随探测距离减小, 测距随机误差先减小后增加, 系统误差逐渐增加; 引信最大可靠测程为84.8 m, 测程内随机误差为0.22~0.73 m, 满足引信远程定距的需求; 提高阈值可明显改善测距误差, 但会造成可靠测程减小。所得探测能力变化规律与评价方法可为脉冲激光引信设计与应用提供理论依据。

光束空间分布是影响星载激光测高仪测距指标的重要因素。根据星载激光测高仪接收脉冲回波分布特点, 通过对椭圆高斯足印及线性目标的理论建模, 基于接收脉冲回波信号时间重心及其方差的基本定义, 构建了椭圆高斯足印对星载激光测高仪测距值及其误差的影响模型。以GLAS星载激光测高仪为输入条件, 利用数值仿真分析的方法, 针对倾斜度和粗糙度分别为(3°, 1.7 m) 、(12.5°, 8.9 m)和(28.2°, 14.5 m)的三种典型观测目标, 系统论述了椭圆高斯足印的椭圆率与方位角对测距值及其误差的影响规律。结果表明, 激光测距值基本与椭圆高斯足印的椭圆率和方位角无关, 其测距值余量最大值不超过1 mm, 但是, 激光测距误差会随着椭圆高斯足印的椭圆率和方位角的增加产生起伏变化, 其测距误差余量最大值达到了47.04 cm。所得结论对于星载激光测高仪的硬件设计和性能评估具有一定实际应用价值。

噪声是影响星载激光测高仪测距误差的重要因素。根据星载激光测高仪接收脉冲回波和噪声的分布特点，推导出接收脉冲回波信号时间重心的方差的理论表达形式，建立了噪声对激光测距误差的影响模型。基于激光测距误差最小化的原则，提出了一种星载激光测高仪低通滤波器的优化设计方法。以Geosicence Laser Altimeter System(GLAS)激光测高仪基本测量参数为输入条件，仿真分析了激光测距误差和低通滤波器均方根脉宽的优化结果的分布规律。对于倾斜度为0°~40°且粗糙度为0~15 m范围内的目标而言，噪声所导致的激光测距误差范围为0.28~32.49 cm，相应地，低通滤波器均方根脉宽优化值的范围为1.4~57.4 ns。针对倾斜度在1°范围内的目标，解算得到GLAS星载激光测高仪低通滤波器均方根脉宽为2.2 ns，这与其实际公布的2 ns很接近。同时，低通滤波器的优化结果所对应的激光测距误差发生大幅减小，其最大值减小至10.93 cm，减小幅度接近3倍。结果表明，噪声是影响星载激光测高仪测距误差的重要因素，合理设计低通滤波器的参数可以消除其部分影响，这对于星载激光测高仪的硬件设计和性能评估具有一定实际应用价值。

星载激光测高系统通过接收卫星平台激光器发出的激光脉冲经地表反射的微弱回波，计算卫星与地表的距离；结合卫星轨道和姿态数据，生成激光脚点精确地理位置和高程结果。其高程误差主要受器件、环境和目标参数影响，目前还没有完整描述对地观测星载激光测高系统平面和高程误差的数学模型。简化并完善了针对固体地表的激光测距误差模型，建立了完整的激光脚点平面和高程误差模型。利用高程精度和空间分辨率更高的机载Lidar数据评估了星载激光测高系统GLAS实测数据的高程偏差，评估结果符合所建误差模型。在较平坦的冰盖表面，GLAS系统高程精度可以达到设计值约15 cm。研究内容对测高系统高程误差评估和系统参数设计具有参考意义。

星载激光测高仪通过提取激光回波参数计算卫星与地表的距离，结合轨道和姿态信息生成激光脚点的三维坐标。普通高斯光束的空间能量分布随光斑半径增加迅速衰减，不利于探测复杂和分层的地表目标，而平顶高斯光束可以克服这一缺点。根据平顶高斯光束和激光测高回波的相关理论推导得出平顶高斯激光模式下回波波形主要参数的解析式，并使用波形模拟器、波形处理算法，以及地球科学激光测高系统(GLAS)真实回波对所得理论模型进行了验证，结果显示不同阶数激光脉冲的对比偏差都小于3%，且随着目标斜率或阶数的增加，回波宽度和距离误差也随之增加，4阶平顶高斯光束目标斜率0.05时对应的距离误差超过10 cm。

星载激光测高仪(SLA)接收滤波器带宽(RFB)直接决定系统的使用性能。根据星载激光测高仪的工作原理，建立了激光测高仪回波信号及输出信噪比(SNR)的简化模型，并推导了测距误差、探测概率和虚警概率的数学表达式。在探测概率和虚警概率满足阈值要求的前提下，提出了一种以测距误差最小化为依据的滤波器带宽优化设计方法。以MOLA-2星载激光测高仪系统为例，仿真计算出不同目标倾角对应的滤波器带宽值及其测距误差的分布规律。结果表明，在0°~40°目标倾角范围，滤波器带宽优化设计值比传统方法设计的结果要大，其差异达到0.7~58.7 MHz，而对应的测距误差要小于传统方法解算的数值，其差异为0.2~16.2 m。受测量对象多样性和复杂性的限制，无法使每个探测目标对应一个滤波器，则采用多个通道的滤波器分段式地对优化的测距误差分布曲线进行拟合，以获取到每个通道的滤波器带宽及对应的探测目标倾角范围。滤波器带宽优化设计方法为其实际制造提供了一种更为优越和可行的方案。