三维激光雷达系统的成像是由激光雷达发射出一个脉冲信号或者一系列的成像光束,从探测目标返回的回波信号的二维平面信息和激光雷达测距得到的距离信息来反演得到三维图像的技术。激光雷达的发射脉冲具有方向性、相干性、单色性和亮度等方面的优越性,使其发出的信号抗干扰能力比普通的微波雷达要强,更加有助于目标的探测和识别,如探测潜艇、隐形飞机、地质探测、导弹跟踪等领域。其中以发射阵列激光进行三维成像的阵列激光雷达技术具有较传统三维激光雷达高成像速度、高可靠性等优点,使其在军事领域、国民经济建设领域、农林生态领域等得到广泛应用。目前针对阵列无扫描激光三维成像系统的研究重点集中在传感器和成像系统的搭建实现上,但由于三维激光雷达使用环境的复杂性,如果要提高激光雷达的探测能力和成像精度,除了提高激光雷达的发射系统和接收系统的硬件水平以外,还要找到一种更加有效的回波信号处理方法和激光三维成像构造方法,所以本文针对这一关键问题,从基础的配准处理方法出发,开展阵列激光成像点云数据配准技术研究。研究过程中,主要针对阵列激光三维成像系统特有的工作模式,理论分析了配准方法在阵列成像点云上的表现,根据阵列激光三维成像系统距离反演三维信息的成像特点,提出了基于局部距离特征描述直方图的点云初始配准方法。同时通过分析影响成像结果的系统性能指标对配准结果的影响,提出自适应阈值的配准方法,对阵列激光三维成像点云及扫描激光成像点云的实验仿真验证了算法的有效性。最后将本文提出的配准方法应用在目标姿态估计上,通过大量实验与分析,以上方法均能实现精确高效的点云配准,可以将不同成像视角下的点云数据配准到同一坐标系下,得到信息更加丰富的目标三维图像。本论文的主要内容包括以下几个方面的内容:(1)理论分析部分通过分析阵列激光三维成像系统的成像原理,建立了阵列激光三维成像系统的仿真模型,模型中充分考虑了成像系统的硬件性能指标,包括系统的计时能力、测距分辨率以及横向分辨率等,仿真过程能够真实反映成像效果。通过选取不同类型目标,不同成像场景的三维成像点云数据,从配准精度、配准效率等方面对几种典型配准方法的表现进行对比分析。针对阵列激光三维成像系统的特定工作模式,提出了基于局部距离特征描述直方图(LRFH)的点云初始配准方法,在配准过程中提出了最优采样一致性(OSAC)的相关点筛选方法。对于精确配准方法,通过理论分析成像系统中测距分辨率以及成像横向分辨率对成像效果的影响,提出了基于自适应阈值(ADT-ICP)的阵列激光三维点云精确配准方法。最后通过分析目标姿态测量的基本原理,提出了基于点云模型匹配的目标三维姿态测量方法。利用系统成像参数对姿态测量的影响分析,可以在实际应用中对系统的合理设计提出理论指导。(2)实验仿真分析部分:在方法的有效性验证方面,实验中数据来源为对NASA数据库中目标模型进行阵列激光三维成像仿真得到的点云数据,以及斯坦福大学3D数据库中的扫描激光成像点云数据,对以上两种类型的成像点云进行配准仿真实验,采用配准精度、表面贯穿度等标准衡量配准结果,验证了提出算法的有效性和准确性,采用含有距离误差的成像数据验证了提出方法的适用性,最后对阵列激光成像点云数据的姿态测量实验,验证了提出姿态估计方法的有效性。