传统成像技术通常对视线内物体直接发出或散射到探测器的光进行成像,而墙后隐藏物体发出的光只能经过中继表面散射后进入探测器。视线之外(非视域)物体的信息在一些特殊环境中有很重要的价值,比如自动驾驶和抢险救援。提前得知非视域环境的信息有助于增加决策时间,提前对突发状况提前处理,进而提高效率甚至减少人员的伤亡。因此非视域探测一直以来是科研人员希望达成的目标。随着光电探测设备时间分辨率和灵敏度的提高,通过中继表面对非视域环境的探测成为可能。科研人员们使用主动探测的方法,利用了例如条纹相机和单光子雪崩二极管等高灵敏度高时间分辨率的探测器实现了对中继面上微弱光束的探测。他们相继提出了反向投影算法、光锥变换算法、费马流算法、以及向量场虚拟波光学的虚拟成像等方法对非视域环境进行探测。他们还提出了基于光子飞行的椭圆定位法探测物体位置。本文的研究内容就是针对稳定高效地获取非视域物体位置信息而展开。本文主要的研究工作如下:(1)首先讨论了非视域探测的研究背景及研究意义。对当前主流的几种非视域重建算法的原理和实现方案进行了归纳和介绍,并对针对最常使用的反向投影法的几种优化算法进行了介绍和分析。(2)介绍了非视域跟踪的基本理论:椭圆定位法、照射模型、散射模型等。系统介绍了物体表面的各种光学现象,为仿真不同材料属性的中继墙面、被测目标提供选择。(3)利用光度学方法和实测双向反射分布函数对非视域探测中的光学过程进行优化,并把非视域目标的受照射表面离散为面元增加模型的真实性。搭建了仿真平台完成了根据实际设备参数和实测双向反射分布函数的三次散射信号仿真,并根据仿真信号研究了不同光子飞行时间提取方法对定位精确程度和稳定性的影响,环境几何参数、设备参数、算法参数对定位效果的影响。(4)搭建了近距离非视域定位实验平台。完成了可见光镜头在红外波段透过率的测量实验。解决了光子在波导中光程未知和实验设备延迟未知情况下,自由空间光程零点与光子飞行总时间零点之间的标定问题。完成了椭圆定位法的可行性验证和滤波的光子飞行时间提取方法与传统拟合方法的对比,得出了传统方法在不稳定背景和强噪声影响下,没有先验信息和人为识别时提取光子飞行时间的无人化程度和定位稳定性存在矛盾的结论。展示了滤波方法对不稳定背景的适应性以及不需要人为识别目标区间和先验信息时在定位精度和稳定性方面的优势。(5)搭建了远距离非视域跟踪实验平台。针对近距离实验方案移植过程中因为距离增加造成的各通道信号耦合严重、信噪比低、零点标定误差大、手动读写数据效率低等问题进行了改进。提出了以背景信号特征为相对零点的方法解决信号耦合和零点标定困难。提出了大窗口均值滤波抑制数据抖动,三角辨别法滤除高强度背景信号提高信噪比和阈值分割准确提取目标信号的方法。开发了自动实时定位软件,实现多通道数据自动实时读写,提高了定位效率。实现了远距离隐藏目标的实时定位,体现出滤波算法在实现自动化的优势。