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。

在激光雷达系统中, 受限于被测目标距离及反射特性的变化, 回波信号的峰值动态范围大, 导致由恒比定时鉴别电路确定的回波到达时刻波动较大, 产生的行走误差影响了系统的测距精度和测量范围。设计了一种带自适应增益控制的恒比定时鉴别电路, 基于回波信号水平快速自动调节放大电路的增益, 可适应较大动态范围下的目标测量。实验结果表明, 采用自动增益与恒比鉴别电路相结合的方法设计的激光雷达时刻鉴别电路, 可以基于回波信号水平在25ns的时间范围内实现放大电路增益的自适应调节; 当输入信号上升时间为3ns、电压动态范围为29dB时, 利用增益的自动控制可以将回波信号的动态范围降低至9dB, 将回波时刻鉴别误差控制在0.42ns内, 有效减小了测距系统的行走误差。

飞秒光频梳具有超宽光谱范围、超窄脉冲宽度以及超稳脉冲序列间隔的特点，不仅可以利用时域的周期脉冲实现大尺度范围的飞行时间测距，还可以利用频域的相干谱线获得高精度的干涉信息，在大尺度、高精度的绝对距离测量领域能够充分发挥其优势。系统测量得到目标距离与系统参数及大气环境要素密切相关，大气环境要素通过折射率影响测量得到的光程。模拟仿真以上因素对测距精度的影响十分必要。选择了双光梳法作为高精度测距技术方案，详细推导并模拟仿真了系统参数和大气环境要素对测距精度的影响程度。模拟仿真结果表明：随着重复频率的增大，重复频率的抖动对测距结果的影响将减小；减小两光梳间的重复频率差可以提高测距精度；大气环境温度抖动对测量距离的影响为1 ?滋m/(m·℃)；大气压强抖动对测量距离的影响为2.6 ?滋m/(m·kPa)；大气湿度对测距的影响较小,为高精度的双光频梳距离测量实验系统提供了理论指导。

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。

基于卫星激光测距(SLR)系统的测距原理,对从角反射器反射的回波光子分布进行数值仿真,分析并讨论了卫星角反射器形状效应与SLR系统测距精度的关系。另外,为验证卫星角反射器形状效应的适用性,利用中国科学院国家天文台长春人造卫星观测站SLR系统对不同轨道高度的卫星进行了实测。结果表明,卫星角反射器形状效应使从卫星反射的回波光子分布发生明显改变,激光脉冲被展宽。对于Starlette卫星,激光脉冲脉宽由50 ps展宽至72 ps,由卫星角反射器形状效应引起的测距误差约为5.4 mm。对于高轨Etalon-1卫星、中轨LAGEOS-1卫星和低轨LARES卫星,由卫星角反射器形状效应引起的测距误差分别约为15.4,7.4,5.0 mm。因此,要使SLR系统测量精度向毫米级发展,应当考虑卫星角反射器形状效应对测距精度的影响,这也为SLR系统的性能评估与结构设计提供了新的思路与途径。

为减小传统激光测距方法中复杂电路系统对脉冲计时或相位比较引起的测距误差, 针对偏振调制激光测距技术, 利用电光调制器中晶体折射率随施加电场线性变化的特性, 将待测物体反射的光脉冲调制成时间的函数, 通过所得偏振光两个垂直方向上的光强比值求解待测距离。在研究其测距原理、距离方程及误差分析的基础上, 推得文中测距方法所能达到理论测距精度的表达式,并分析调制过程中正弦、锯齿、指数三种调制函数对测距精度的影响, 在相同距离范围内, 锯齿函数具有更好的适用性, 正弦函数与指数函数的组合函数具有更高的测距精度。进一步分析正弦函数不同波段对测距精度的影响可知, 采用-?仔/6~?仔/6波段调制时其适用性及测距精度都有很大提高。研究结果对提高偏振调制激光测距精度具有重要意义。

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。

从盖革模式单光子雪崩光电二极管的光电特性出发, 分析了卫星激光测距的测距精度与激光脉冲宽度及回波强度的关系, 并利用长春站卫星激光测距系统对地球动力学卫星进行观测.结果表明, 当回波光子数为1 000左右时, 系统测距精度为10.2 mm左右, 当回波光子数为8 000时, 测距精度减小为9.4 mm左右, 表明回波强度较大时, 可提高卫星激光测距系统的测距精度; 当激光器脉宽为200 ps时, 系统测距精度为17.3 mm, 当脉宽为50 ps时, 系统的测距精度为10.0 mm, 表明卫星激光测距系统的测距精度随着脉宽变窄得到了有效提高.为进一步验证理论结果, 对Ajisai卫星进行实测, 分析了高重复频率激光测距系统对系统测距精度的影响, 结果表明采用窄脉宽高重复频率的激光测距系统, 激光测距有效回波数和标准点密度呈数量级增加, 测距精度也有一定的提高.因此, 为了改善卫星激光测距系统回波特性, 应选用脉宽窄、重复频率高、能量大的激光器作为基于盖革模式单光子雪崩光电二极管的卫星激光测距系统的激光光源.