地基光学成像是对空间目标进行探测识别的重要手段。本文分析了近十几年间建立的用于天文观测的巨型望远镜设备不能对地球同步轨道(Geostationary Earth Orbit,GEO)目标进行高分辨率观测的主要原因: 除大气湍流对成像质量的影响和分辨率的限制外, 还有GEO目标尺寸和目标亮度昏暗问题。因此需要引入非传统成像技术解决上述问题。 本文研究了几种采用激光照明的非传统光学成像方法, 具体分析论证了稀疏孔径成像、强度相关成像、剪切光束成像和傅立叶望远术等光学成像技术, 阐述了各成像技术的优势与局限性, 分析了几种方法对GEO暗弱目标高分辨率成像的应用前景。

提出一种基于轮廓曲率去噪和仿射不变矩的目标识别方法, 适用于激光主动成像这样的高噪声复杂应用场合。通过计算每个像素及其邻域的轮廓曲率, 判断像素携带的信息量大小, 据此对像素点进行分类。对分属不同类别的像素点, 使用不同滤波参数的 Lee滤波器进行滤波。对滤波后的图像再次提取出轮廓, 计算轮廓的仿射不变矩, 训练分类器进行目标识别。实验结果表明, 本文算法在噪声环境下对目标的仿射变换具有较高的识别率, 并且满足激光主动成像识别系统对于实时性的要求。

快速有效地对所获图像进行去噪是提高激光主动成像制导精度的关键一步。针对成像中的散斑噪声，提出了一种改进的小波阈值与基于积分图像的非局部均值滤波相结合的去噪算法。首先对激光主动成像图像进行噪声分析；然后通过对数变换将乘性噪声转换为加性噪声；而后将含噪图像进行两层小波分解，在第一层高频部分运用改进的小波阈值法，在第二层高频部分运用基于积分图像的非局部均值滤波算法进行去噪；最后进行相应的逆变换得到去噪图像。理论分析和实验结果证明，该算法能有效去除噪声，较好地保证了图像细节，并且满足激光主动成像制导对图像去噪实时性的要求。

针对激光主动成像图像特点, 提出一种分数阶微分与Sobel算子相结合的边缘检测算法。构造小波软阈值法与非局部均值滤波相结合的去噪算法对图像进行预处理；分析传统Sobel算子的不足, 并利用分数阶微分对其进行改进, 提出基于分数阶微分和Sobel算子的四方向边缘检测模型对图像进行梯度运算；运用最大类间差分法自适应选取阈值实现二值化完成边缘检测。实验结果表明, 与传统边缘检测算法相比, 该算法能够检测出更多的图像边缘细节, 且具有更好的可匹配性参数。

为了研究凝视型激光主动成像系统对非合作目标的成像性能及在目标跟踪中的应用,设计了基于APD阵列和分束照明的凝视型激光主动成像系统。对激光回波功率与目标距离之间的关系进行了理论分析, 结果显示: 200 m外目标的回波功率小于1 μW。为提高系统作用距离, 选取高增益带宽积跨阻放大器OPA657N提高系统增益, 并通过优化元件布局来克服高跨阻值时的通道串扰。实验验证了距离方程的正确性。在此基础上, 采用八连通团块检测方法实现目标探测, 并对两轴目标跟踪进行了实验验证。结果显示: 系统能够对200 m处非合作目标稳定成像, 并能获取420 m处非合作目标的回波信号; 当目标在俯仰轴、偏航轴方向行程大于2.5°时, 系统能够实时探测并稳定跟踪。

为了有效抑制激光主动成像中的散斑噪声以及保护边缘细节信息, 提出一种基于同态滤波和改进阈值整数提升小波变换级联的散斑噪声抑制方法。首先,使用同态滤波将乘性散斑噪声变为加性噪声, 然后使用整数提升小波变换进行分解; 再次, 在分析经典阈值方法存在不足的基础上, 设计了一种新的阈值函数模型以及自适应阈值计算方法, 并对小波分解系数进行阈值处理; 最后, 进行小波系数重构和同态逆变换, 得到去噪后的图像。仿真实验表明, 该算法能够有效抑制噪声, 同时能够较好地保护图像的边缘, 具有较强的实用性。

在微光成像中, 距离选通成像是一种获取目标三维信息的有效手段。对于静止目标而言, 可以通过对目标切片成像, 获得不同选通距离的目标图像, 进而通过二值化算法或质心算法获得目标的三维图像。而对于运动目标而言, 在切片成像的同时, 目标的空间位置会发生变化, 因此需要对不同选通距离的目标图像进行配准, 而后才能获得目标的三维图像。搭建了基于像增强电荷耦合器件(ICCD)的距离选通实验系统, 提出了一种基于像质评价的互信息配准算法配准激光图像目标的空间位置, 然后对配准后的激光图像通过互相关算法获得三维图像, 并在保证一定的三维精度基础上, 逐渐减少激光图像的像幅数, 最后与二值化算法和质心算法三维重构进行了实验对比, 实验结果表明, 互信息配准算法能够有效配准激光图像, 互相关三维成像算法精度高于二值化法和质心法, 最少采用2幅图像即可获得目标的三维点云图像, 大大降低了对运动目标三维成像的难度。

针对火箭起飞过程中零时信号难以准确测量问题，提出了激光主动成像与距离选通技术相结合的测量方式，并通过求取光流的变化进而求取位移移动量获得火箭起飞的零时信号。对现有的零时信号测量方式进行了分析，确定了基于距离选通的ICCD成像方式，结合目标垂直上升的特性，提出目标轮廓与HS光流结合的抗光照干扰算法。实验结果表明：在模拟目标匀速上升过程中，在光照变化不大情况下，单独的边缘检测及单独的HS光流检测算法均能检测出目标的上升趋势；在光照变化剧烈情况下，边缘检测及HS光流检测算法均出现严重的误差，目标轮廓与HS光流结合算法排除了目标内部的干扰，得到的目标像素点位移量与真实的上升量基本一致，误差在亚像素量级，若图像帧频为25 fps，则时间精度为80 ms，完全符合零时信号提取的要求。

为提高成像效率, 研究了基于雪崩光电二极管(APD)阵列和分束照明的直接测距型无扫描激光主动成像系统。系统采用脉冲激光器作为光源, 通过测量激光脉冲飞行时间来获取目标距离信息; 基于达曼光栅进行分束照明以提高能量利用率。另外, 光学系统采用收发共孔径结构, 保证了目标处激光脚点和APD阵列各像元的几何对准。与参考APD所采用固定阈值时刻鉴别法不同, 系统采用固定阈值与恒比定时相结合的时刻鉴别法处理回波APD阵列的输出信号以适应外光路参数的变化。各通道采用专用计时芯片TDC-GP22测量启停脉冲之间的时间间隔, 实现了45 ps的计时分辨率。最后, 将19 m和31 m处放置的两个角反射器作为合作目标进行了成像实验, 并给出了所获取的距离图像。结果表明: 两个目标的平均距离分别为19.28 m和31.54 m, 测距误差分别为0.28 m和0.54 m, 显示提出的设计方案切实可行。