轻量型感知激光雷达(LiDAR)是一种具有环境目标感知能力的主动式三维光学成像技术，在深空探测与无人驾驶领域被广泛应用。回顾了轻量型感知激光雷达关键技术的重要进展，总结了以收发系统和扫描机构为核心的轻量型系统设计，梳理了高精度测距技术和指向误差校正技术的标志性成果，展示了感知激光雷达不同领域的应用，展望了感知激光雷达芯片化、智能化、高性能化的发展趋势。

针对脉冲激光周向探测系统在高速转动条件下转轴形变影响探测性能的问题，通过建立高速转轴的力学模型，推导出转轴弯曲变形的理论公式；结合平面扩展目标的回波功率方程，建立了转轴偏移下目标探测成像模型。通过仿真分析转轴形变对回波信号幅值电压和成像位置的影响，结果表明：当电机转速达到40000 r/min时，转轴在全反平面镜处角位移达到0.013 rad，沿Y轴的形变达到0.88 mm；回波信号幅值电压随着转速的增大而逐渐减小；空间成像点在40000 r/min时有0.004 m的位置抖动。

利用Leica C05三维激光扫描仪和南方全站仪以多种特征的植物表面为观测目标,获取点云数据和距离参考值,研究不同植物表面的颜色、粗糙度和测站距离对点云的测距精度和激光回波强度的影响。实验结果表明:测站距离小于100 m时,扫描仪测距误差为1~5 mm,超过90 m时,测站距离每增加10 m,激光点云测距误差约增加1 mm;颜色、粗糙度和测站距离对三维激光扫描仪的激光回波强度和测距精度有影响;颜色对激光回波强度的影响较大,白色的激光回波强度最强,黑色最低,测距精度与激光回波强度有较强的相关性;植物表面粗糙度对激光回波强度的影响较低,没有明显的相关性;植物和非植物的颜色对激光回波强度的影响基本类似。

针对调频非线性和快速傅里叶变换（FFT）精度不高的问题，基于等光频间隔重采样的调频连续波测距系统，采用相位差测频法测量了待测目标点的距离；对调频连续波激光测距原理进行分析和推导，并依靠该系统进行了测距稳定性和测距误差的分析实验。结果表明：在8.3～9.3 m测量范围内，相位差测频法的测距单点稳定性范围为50～95 μm，测得的距离与理论距离的残余误差不超过100 μm；所提算法比快速傅里叶变换具有更好的测距精确性和稳定性。

为实现远距离高精度激光测距,提出了一种联合利用伪随机码相位调制和相干探测技术的激光测距方法,并搭建实验验证平台对自由空间目标进行了测试。当激光出射功率为2.0 mW、参考光功率为117.8 μW、调制速率为100 MHz、单周期内伪随机码序列长度为81.9 μs、望远镜接收口径为2 cm时,该系统可对8 m处的自由空间目标实现11.8 cm的测距精度。实验证实了该套技术方案的可行性。将此实验结果反推至星载条件,并与GLAS(Geoscience Laser Altimeter System)系统参数进行对比发现,该系统工作在低峰值功率、长脉冲宽度状态下,故可实现高重复频率探测。

条纹阵列探测激光雷达具有测距精度高、作用距离远、探测景深宽和数据更新率高等显著优点, 已被广泛应用于地形测绘、海岸带监测、城市三维重构、森林生态研究等领域中。传统的信号鉴别方法在回波信号距离提取过程中存在一定的局限性, 影响了条纹阵列探测激光雷达的距离分辨能力和目标识别能力。针对这一问题在处理条纹图像时引入了一种迭代加权质心算法, 讨论了该算法在质心定位中的独特优越性, 结合条纹阵列探测激光雷达的信号分布特征确定了该算法中关键参数的选取。利用该算法在1.4 km的作用距离下获得了具有清晰边界特征的目标距离像, 有效抑制了距离提取过程中产生的边界模糊效应, 显著提升了系统的细节分辨能力, 相比于传统的质心算法, 测距精度提高了17%。

单光子模式激光测高仪具有灵敏度高、重复频率高、重量轻、体积小等诸多优势，其代表着新一代天基激光雷达的未来发展趋势。对常见的高斯回波波形，基于激光雷达方程、单光子探测器统计特性，建立了单光子回波探测概率模型，基于该模型进一步推导了测距误差的量化关系式，并利用蒙特卡罗方法对所建模型进行了仿真验证。理论分析和仿真计算表明：回波脉宽越窄，测距的系统误差和随机误差越小；回波强度越大，测距的随机误差减小，但系统误差增大。以均方根脉宽为1.5 ns的高斯回波为例，忽略噪声影响，当平均信号光子数为1时，单次测距系统误差约6 cm，随机误差约22 cm。

相比传统的点扫描激光雷达，基于距离选通和增益调制测距原理的面阵成像激光雷达，具有测距速度快的优点，但同时会引起单帧图像信噪比降低。根据成像激光雷达的原理，建立了其在散粒噪声影响下的测距精度模型，基于该精度模型和机载面阵激光雷达成像的特点，提出了一种应用灰度图像配准叠加提高测距精度的方法。对飞机姿态、光源均匀性、叠加帧数等因素在采用该方法时是否对测距精度有影响进行了分析。分析结果表明，图像完全匹配后，飞机姿态对测距精度没有影响，光源均匀性优于40%时对测距精度影响可以忽略，一定叠加帧数内时灰度叠加不会影响目标之间的相对距离。进行了地面动态实验和机载航拍实验，并将此方法应用于图像的校正，实验结果验证了该方法的有效性。

介绍了一种基于增益调制测距原理的成像激光雷达，并分析了其在散粒噪声受限时的测距精度。根据该精度模型，针对机载应用提出了对雷达测得的距离图像序列进行配准叠加以提高测距精度的方法。由于各帧图像的距离精度不同，在配准前进行权重处理使精度较高的图像像素获得较大的权重，然后利用插值相位相关法进行精确配准。对于配准后的图像，利用加权叠加使相加后的距离图像误差最小。理论分析表明，该方法能有效整合不同帧探测到的信号，使n帧距离图像配准叠加后的测距误差降低为单帧的1/n。仿真和实验验证了该方法的有效性。