【摘 要】
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高散射介质（水、雾等）中的高分辨成像具有重要的应用价值,然而传统的声呐和毫米波雷达的成像分辨率较低。激光三维成像技术具有成像分辨率高、测量距离远、采样速率高、探测信息丰富等优点,但是在高散射介质中,激光能量损耗大、散射噪声严重,测量距离和成像信噪比都无法满足应用需求。单光子探测技术具有极高的灵敏度,能够实现单个光子水平的弱光探测,解决激光雷达在高散射介质中损耗大的问题,但是强烈的背向散射噪声严重影
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高散射介质（水、雾等）中的高分辨成像具有重要的应用价值,然而传统的声呐和毫米波雷达的成像分辨率较低。激光三维成像技术具有成像分辨率高、测量距离远、采样速率高、探测信息丰富等优点,但是在高散射介质中,激光能量损耗大、散射噪声严重,测量距离和成像信噪比都无法满足应用需求。单光子探测技术具有极高的灵敏度,能够实现单个光子水平的弱光探测,解决激光雷达在高散射介质中损耗大的问题,但是强烈的背向散射噪声严重影响了单光子探测系统。针对上述问题,本文研究高散射介质中的单光子成像技术,通过对出射光束的波前进行调制,减小照射在目标物表面的激光光斑尺寸,结合同步光束扫描技术,大幅减小了接收视场,从而有效抑制背向散射噪声,提升激光雷达的成像分辨率和信噪比,主要工作如下:（1）提出多深度变焦激光成像技术,使用液晶空间光调制器模拟变焦透镜,通过加载不同的菲涅尔透镜相位图,改变透镜的焦距,将焦点移动到不同距离的目标物上,提高三维图像的空间分辨率和信噪比。在透过率为0.06的浓雾中,对位于6.4m,7.7m和9.4m的三个目标进行了扫描成像,达到毫米量级的横向分辨率。（2）提出了雾中同步扫描成像技术,利用贝塞尔光束的无衍射特性,在雾中传输过程中能够保持较小的中心光斑尺寸与稳定的中心光斑强度占比,在0-100m的传输范围内,发散角约为31μrad。根据光束的尺寸,系统的接收视场角为60μrad。相比于传统的高斯光束激光雷达,该同步扫描成像系统在雾中有着更好的噪声抑制能力,显著提升了成像分辨率和信噪比。（3）提出了水下单光子成像技术,针对水下“蓝绿窗口”,采用532nm的脉冲激光,通过轴锥镜DOE产生的贝塞尔光束,在水中传输18m之后的光斑尺寸由0.53mm仅扩大到0.73mm@FWHM,发散角仅为11μrad。设计了空间去噪算法,对水体的背向散射噪声进行高效的去除。实验中,对水中17.5m处的目标物进行了扫描成像,成像分辨率可达到毫米量级,远高于传统的高斯光束激光雷达。
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