为实现激光导引头高精度光电参数测量, 提出了一种基于雪崩光电二极管(APD)雪崩放大效应的微弱信号放大技术以及基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)的全波形采集技术, 研制了一套飞焦量级激光模拟回波光电参数定量化测量装置。测量装置针对微弱脉冲激光回波进行光电转换及多级放大处理, 之后通过高速A/D实现模数转换, 并由FPGA进行全波形信号的存储、处理, 再传递到上位机上, 最后使用标准能量计搭建计量校准光路进行测量装置的能量校准。测量装置实现了脉冲宽度10～100 ns、能量范围40 fJ～1.1 pJ的 1 064 nm波段的脉冲激光能量的测量, 测量重复性不高于2%, 基本满足测试需求。

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。

针对现有脉冲激光回波目标识别方法不能准确反映目标姿态的关键问题, 提出一种基于激光回波与散斑的时空域目标探测方法, 重点建立了粗糙目标的脉冲激光回波与二维激光散斑模型, 通过对平面、球面和非球面三种面型目标进行仿真, 不仅可以映射出不同目标的面型和偏转角度, 还可以区分目标的偏转方向, 说明该方法的可行性与有效性。

气溶胶后向散射激光回波在气溶胶内部的散射特性对其波形特征有着重要影响。为获取气溶胶后向散射激光回波的散射特性, 文中以云雾为研究对象, 建立激光云雾传输模型, 仿真云雾后向散射激光回波在云雾内部的多次散射过程, 统计不同云雾质量浓度和云雾距离条件下的激光回波的散射次数和传输时间, 得到激光回波的散射次数范围和同次散射回波特征, 以及云雾质量浓度和云雾距离对散射次数的影响规律。文中研究结果可为分析气溶胶后向散射激光回波特征提供重要支撑。

阐述了利用激光回波信号进行目标检测的理论依据, 讨论了对激光回波信号的光谱、偏振、位置、运动、振动特征的提取的原理, 最后分析总结了利用回波信号强度、脉冲宽度、回波信号追踪、模板匹配、特征向量提取以及模糊聚类等对激光回波信号进行目标识别的方法。

以建立的铁路罐车回波强度D模型为基础, 采用高感应激光标靶, 对检定周期内铁路罐车(箱)进行以入射角为代表的几何量特性扫描影响分析, 并通过点云均布率和再现率直观判断扫描效果, 最后以不同入射角扫描模型计算铁路罐车容积, 并与较高等级容积量传法比较, 结果显示, 基于铁路罐车工况, 35°入射角进行扫描的扫描效果较好, 测量准确度高, 测量重复性较好, 较容量比较法更加接近。进行测量不确定度评定, 测量结果的相对扩展不确定度为3×10-3, k＝2, 为三维激光扫描铁路罐车相关技术的研究提供一定的理论与技术参考。

在激光引信中, 脉冲激光对目标的探测与识别是激光引信近程探测技术中的一个关键技术点, 而目标的表面反射特性对探测的影响是激光近程探测高效毁伤与精确打击目标的主要研究关键。目标的表面粗糙度以及附着物对激光回波信号的强弱影响较大, 因此, 需对激光近程探测过程中不同粗糙度目标表面所表现的反射特性进行研究。首先通过仿真得到回波信号模型, 再进行不同粗糙度表面回波功率实验对仿真结果进行验证。实验选用不同表面粗糙度的靶板, 并采用了改变角度、改变距离并同时改变角度和距离的模式来观测得到的电压曲线, 获得最终结果。

针对数字体制机载多脉冲激光测距机信号处理算法引入测距误差的问题, 提出减少脉冲激光回波波形失真的降噪算法以及改善激光测距精度的校正措施, 可用于脉冲激光目标的精确定位。结合数字体制多脉冲激光目标检测过程分析数字信号处理算法引入的测距误差, 指出信号采样率限制了目标定位的距离分辨率, 低通滤波环节的非线性相频特性是造成波形失真、峰值点偏移的主要因素。然后, 针对这些问题给出了改善多脉冲激光目标定位精度的具体算法: 基于对称小波基实施回波信号小波分解, 利用改进Donoho阈值处理小波系数, 用以减小重构目标波形峰值点位置的偏移; 采用差分组合函数搜索目标回波的峰值点, 基于非对称高斯脉冲模型进行高采样率拟合, 对峰值点位置加以校正, 改善定位的精确性。通过仿真选取合适的小波基, 对比不同算法信噪比改善及峰值点定位的性能。在室外高塔开展消光比激光测距实验, 结果显示信噪比为1.5的激光目标定位精度小于2 m, 验证了多脉冲激光目标精确定位算法的性能。

激光主动成像雷达在宽景深复杂场景目标成像探测过程中，由于远距离目标回波信号幅度较小，导致在强度像上缺失，影响了目标探测识别率。针对此问题，提出通过检测激光回波脉冲宽度生成激光二维平面像，即脉宽像，使用脉宽像完成宽景深远距离目标检测。利用条纹管激光成像雷达对复杂场景建筑物群进行推扫成像实验，分别获得了强度像、距离像和脉宽像。对脉宽像进行数据统计分析，结果表明，脉宽像的视觉效果优于强度像，相对于强度像，可将远场目标清晰呈现；不同的建筑物，其回波脉宽平均值不同；且光束入射角、目标的材质与回波脉宽密切相关：不同入射角的两个白色墙壁，其回波脉宽相差为2，玻璃与粉色的墙回波脉宽相差为4.7；而目标颜色（白色、粉色）对532 nm回波脉宽影响较小，回波脉宽相差仅为0.2。证明脉宽像可有效提高宽景深远距离目标探测率。

针对激光目标回波信号在高信噪比与低信噪比时脉冲波形不同的特点，研究设计了针对低信噪比下多高斯脉冲组成的回波信号进行降噪的小波滤波算法。首先介绍了光电探测中信噪比的定义，给出了不同信噪比下脉冲回波的实际波形。接着，研究了高信噪比时激光回波的时域积累及差分平滑滤波算法，仿真并分析了算法性能。随后，对低信噪比下多高斯脉冲组成的目标脉冲波形采用小波低频系数重构滤波，通过仿真实验选择了合适的小波基以及分解层级。