利用基于近地轨道(LEO)卫星组网的红外激光掩星(LIO)技术,可对地球大气温室气体垂直廓线进行主动探测,为全球温室气体浓度廓线的测量提供新手段。介绍了基于LIO技术的大气温室气体浓度廓线的测量原理,针对最主要的温室气体CO₂建立了LIO信号链路模型,通过仿真分析了工作波数对CO₂探测精度的影响,并基于误差最小的仿真结果对CO₂探测波数进行优化选择。采用所选波数对LIO技术的探测性能进行分析,最终得到可用于CO₂浓度廓线探测的波数为4771.6215 cm ^-1和4772.0240 cm ^-1。在5~35 km高度的有效探测范围内,实现了0.6~1.4 km的垂直分辨率,CO₂浓度探测的相对随机误差小于0.8%,最小相对随机误差(0.229%)出现在10 km处。研究结果为星载LIO大气探测系统原理样机的设计提供了重要参考。

为了进一步提高激光主动探测系统对光学目标的探测识别能力, 提出了一种利用扫描干涉场将目标的空间分布特征加载到反射光时间序列信号中, 通过反射光时间分布的特征差异在复杂漫反射背景中探测光学目标的新方法。基于马赫-曾德尔干涉光发生体制, 得到了远场干涉图样条纹间距与传输距离、M-Z干涉光发生装置参数和激光波长的关系式。分析了条纹间距对不同目标原路返回点处光强时间分布特性的影响。搭建了演示验证平台, 结果显示, 随着干涉场的条纹间距减小, 光学目标的反射光时间分布峰峰数增多, 峰峰比降低, 而漫反射目标没有明显变化。漫反射目标和光学目标的反射光时间分布的方差、偏度和峰度等统计特征差异明显, 其中峰度值分别为(4.37,62.8)、(4.03,34.97)和(3.91,35.4), 整体相差一个数量级。利用反射光时间分布的包络形态和统计特征的较大差异可快速区分光学目标与漫反射背景。

传统的光学镜头探测主要基于回波强度(猫眼效应)来实现,但对于微型镜头而言,反射回波中存在明显的衍射现象,因此对微型镜头光阑衍射效应的研究成为一个重要的研究方向。基于角谱衍射理论,研究了微型镜头对辐照激光的空间调制特性,推导了回波光场分布的公式;仿真研究了探测距离、入射角度和光阑直径对衍射光场分布的影响,以及不同光阑直径时的最大可探测入射角,并利用搭建的激光主动探测系统对回波衍射现象进行了探测。结果表明,实际探测的衍射图样与仿真图样吻合得较好,所提理论能够准确地预测微型镜头探测回波的衍射现象。

为了有效抑制激光照射目标表面所产生的散斑效应, 提高激光主动成像图像质量, 提出采用多光束照明技术, 通过理论分析与仿真实验相结合的方式验证了多光束照明在抑制回波散斑效应方面的作用。首先, 建立了多光束分光照明模型, 理论分析了多光束照明对于完全散射叠加场和部分散射叠加场的散斑抑制原理。在此基础上, 根据理论模型构建了仿真实验系统, 采用不同能量分配的分光方式, 对3种不同表面粗糙度的目标进行了单光束回波散斑对比度和多光束回波散斑对比度实验评估。实验结果表明: 等能量4光束照明的回波散斑对比度仅为单光束对比度的1/2, 与理论分析结果完全吻合, 充分验证了多光束照明技术在回波光场散斑抑制方面的有效性。

激光主动照明成像具有作用距离远、系统分辨率高、可在低照度背景等复杂环境下获取 目标图像等优点,但探测图像会受散斑噪声干扰。把高斯滤波、均值滤波和自适应滤波方法分别 应用到仿真实验中进行散斑噪声抑制,实验表明:与高斯滤波和均值滤波相比,自适应滤波能有 效抑制图像噪声,保留图像的边缘和细节信息。利用自适应滤波方法对获取的单帧和多帧累加平 均的激光主动探测图像进行散斑抑制实验,使用散斑对比度进行定量分析,结果表明多帧短曝光 图像累加平均可有效抑制图像的散斑噪声,自适应滤波可进一步降低图像的散斑噪声。

激光照明的主动探测是通过发射激光对目标进行照明，并对目标的反射光接收、成像的一种探测方式。本文分析了该过程中大气后向散射对系统探测能力的噪声干扰，建立了相应的物理模型，并对相关影响因素做了仿真，为主动探测系统设计中减小后向散射的考虑提供了理论支持。设计了外场实验，利用CCD 相机对远距离目标的回波以及大气后向散射进行了探测，并将探测图像的灰度值统计与理论计算结果进行了定性比对，实验结果与理论分析较为符合。此外，该实验系统的设计参数也为相关主动探测系统的设计提供了参考。

采用光线追迹法,分析了空间环境下离轴三反结构系统的猫眼效应.给出了离轴三反系统的像面倾斜、视场和离焦对猫眼回波效率和发散角的影响,证明了离轴三反系统像面倾斜量是决定能否发生猫眼效应的主要因素.提出利用阈值法实现激光主动探测猫眼信号的基本原理,并结合高阶余弦漫反射模型,分析了目标漫反射信号对猫眼信号检测的影响.估算了20 km到120 km探测距离下,理论上所需不同光束质量激光的最小脉冲能量.仿真表明,当发射光束的全角发散角为0.3 mrad时,50 km和120 km探测距离下所需的最小激光脉冲能量分别为0.7 mJ和3.1 mJ.最后,通过原理实验,验证了空间激光主动探测法探测目标“猫眼”效应的可行性.

针对激光主动探测时光电设备表现出的猫眼效应, 搭建了基于CCD的激光主动探测系统, 提出了一套有效的光电窥视设备检测算法。该算法在激光脉冲的间隔, 同时采集激光主被动图像, 根据窥视目标与普通漫反射物体的回波强度差异, 利用背景差法检测窥视目标。实验结果表明, 在半径为5 m的作用范围内, 该激光主动探测系统可有效、快速地将光电窥视目标从背景中检测出来, 并且不受场景和光照的限制。通过对光学口径为2 mm的光电窥视设备在20个不同场景环境下进行实验, 正确检测率达到95%, 且每帧的检测时间在0015~0021 s内, 满足了实时性需求, 验证了本文系统搭建方案的正确性与软件处理算法的有效性。

分析了空中目标态势的影响因素以及与激光脉冲回波参数的关系；考虑了目标的距离、速度、进入角和尺寸等因素对脉冲时延和展宽的影响，建立了相应的关系模型，得出了不同因素对脉冲时延和展宽有不同影响程度的主要结论；探讨了激光大气斜程传输过程，提出了一种激光大气斜程透射率计算方法，对一般的激光大气传输能量衰减模型进行了改进，得出激光脉冲能量随距离的增大和目标投影面积的减小而呈现指数衰减规律；搭建了实验系统平台，并对实验采集的回波数据进行了分析；对比了脉冲展宽理论计算结果与实测结果，二者相对误差控制在6%以内，具有很好的符合程度，验证了所建模型的有效性。得出的结论具有为反演空中目标态势信息提供一定参考的价值。