激光雷达是一种可以快速、准确的获取目标空间三维信息的主动探测技 术，主要分为直接探测和相干探测。由于直接探测方式可靠性高，实现简单， 因此，大多数激光雷达系统都采用直接探测方式。然而直接探测方式适合于强 光探测，它需要接受到的目标散射回波信号大于噪声。但是，激光雷达往往工 作于白天环境下，此时会受到强烈的太阳背景辐射噪声的影响。因此，常用的 手段是使用窄带滤波片来进行光谱滤波，从而达到对背景辐射噪声的抑制效 果，特别是对于基于单光子探测器的光子计数激光雷达，则需要光谱滤波的滤 波带宽尽可能窄，以此来降低探测时的虚警概率。但是，当使用的激光器线宽 与接收滤波器的滤波带宽都很窄的情况下，一旦二者由于力热等外界环境的变 化，使得他们中心波长不再匹配，此时，滤波效果将会受到很大影响。因此， 要保持激光雷达长时间工作下的稳定性和优异的探测性能，激光雷达窄带宽滤 波条件下的波长匹配是一个亟待解决的问题。 为了解决激光雷达窄带滤波下的波长匹配问题，本论文从如何实现激光雷 达中的收发波长匹配出发，提出了两种可以实现激光雷达收发波长匹配的方 案。一是使用可调谐激光器与窄带滤波器进行配合使用，二是使用窄带宽的可 调谐滤波器。通过比较二者的优劣性，最终选择利用窄带宽的可调谐滤波器这 种方案来实现激光雷达系统中的收发波长匹配。 文中，调研了目前比较主流的几种可调谐滤波器，通过比较他们的光谱滤 波带宽、可调谐范围，调谐方式等指标，选择了利用反射式体光栅作为设计可 调谐滤波器的关键器件。原因在于反射式体光栅的滤波带宽很窄，理论上可达 到 20pm，这正是基于单光子探测器的激光雷达系统所需要的，并且其调谐方式 简单，通过改变入射光角度即可实现，这与激光雷达系统对于滤波器的设计要 求非常契合。 通过对反射式体光栅的光谱滤波特性、角度特性以及对称的空间结构特性 进行分析，最终提出了基于体光栅窄带光学滤波的激光雷达收发波长自动匹配 激光雷达的收发波长匹配系统研究 II 系统的设计方案。通过对体光栅基础理论进行推导与仿真分析，设计了一块滤 波带宽在 100pm 的体光栅，并对加工后的实物进行相关特性的实验测试，将之 与理论计算结果做相应的比较分析。后续，对系统中所使用的关键器件按波长 匹配的分辨率这一指标进行理论上的分析并选型，最后在实验室实际搭建了整 个激光雷达收发波长匹配系统。利用所搭建的系统，进行固定激光波长和可调 谐激光波长两种条件下的波长匹配实验验证，最终，波长匹配的精度优于 2.9pm。此时，接收信号光的强度是二者完全匹配下的 99.97%。因此，本论文 所设计的系统能够实现激光雷达在窄滤波带宽下收发波长的自动匹配，避免了 受环境影响时接收滤波器与发射激光器之间因波长漂移产生失配而带来的影 响，进一步提高了光子计数激光雷达的背景光抑制能力与稳定可靠的工作性 能，降低了后续激光雷达数据处理的复杂度。