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近年来，激光雷达以其高角分辨力，高速度分辨力，高距离分辨力，强抗干扰能力，好的隐蔽性，以及出色的全天候工作能力在很多技术领域尤其是军事领域中得到广泛的应用。如何合理而有效地设计激光雷达系统，是进行激光雷达系统研究的关键。本文根据激光雷达的工作原理，考虑了激光雷达距离方程、大气传输仿真模型、目标截面仿真模型、噪声仿真模型等模块，寻找不同环境与各模型参数的对应关系，以此预测环境对激光雷达系统性能的影响。建立了激光雷达系统的数值仿真模型，分析了激光雷达各个元器件的参数(包括激光器、探测器和光学元件)、大气传输特性等，为以后激光雷达系统的设计有目的地选择优化的设计途径进行了理论研究。
本文研究了扩展目标的激光散射特型。利用随机面元模型，分析了刚性随机粗糙圆柱、平面表面的激光散射特点，建立了实用化的随机粗糙圆柱、平面激光散射理论模型，并给出了正入射时几种情况下的激光散射图像，分析了平面目标、圆柱目标的激光散射能量计算方法，并仿真了光束在平面目标、圆柱目标表面做正弦摆动时，光斑在不同位置的反射能量。基于直接探测技术，建立了一套试验系统，试验采用激光直接探测方式，这是一种通过测量从目标反射回来的激光能量的变化来测量目标的边缘轮廓信息的方法。驱动系统驱动振镜在X、Y方向分别以不同的频率振动，当激光经过振镜反射后，就在X、Y方向对物体表面进行二维扫描，使用光电二极管(PIN)来探测从目标返回的能量，经过滤波器后，接收的信号按照摆动频率分开，通过解调信号，可以得到目标的边缘信息，进而判断扫描物体的边缘轮廓。小波变换具有表征信号局部特征的能力，因此很适于探测信号中的瞬态和奇异现象，并可展示其成分。本文采用小波多分辨率分析方法对激光回波弱信号进行处理，利用小波变换检测回波信号，可以确定回波信号的奇异点，进而确定被探测目标的边缘，结果证明小波多分辨率分析对于激光回波信号处理十分有效，提高了信号分析的准确性。