为解决在卫星激光通信初始捕获阶段传统信标激光光斑检测算法容易受到复杂背景干扰的问题，基于YOLOv5s神经网络针对卫星平台初始指向场景进行优化、改进。选用平滑交并比（SIoU）损失函数替代原损失函数，将原本的上采样结构替换为轻量化的内容感知特征重组（CARAFE）上采样结构，为C3层增加卷积块注意力模块（CBAM）机制，使用SimSPPF替代原本结构，增加了利于感知位置信息的Coordconv结构。经过改进后的神经网络在精度上优于传统的信标光斑检测算法，能够在复杂背景下准确检测出光斑的位置，适合用于初始捕获阶段以及粗跟踪阶段进行信标光斑检测。优化后的YOLOv5s神经网络精确率达到99.7%，召回率达到99.3%，在平均精度（mAP）@0.5指标上超过99.7%，在mAP@0.5∶0.95指标上超过了74%。

为实现太阳能量利用最大化,提出一种基于导光板型聚光器的自然光光纤采光系统。通过分光模块,将不可见光波段的能量转换成电能,进而驱动补偿系统中的LED阵列,实现各种天气条件下的照明能量稳定输出。利用仿真软件对光线进行追迹,结果表明,在室内面积为100 m 2,照明12 h的情况下,太阳能可以供应约60%的总光通量。为进一步验证所设计系统的可行性和准确性,搭建了用于光纤采光系统的导光板型聚光系统,并对其进行聚光实验测试。当光线收集模块数量从10增加到100时,聚光器的聚光效率从83。6%降低至65。1%。在室外对光纤采光系统进行双轴跟踪测试,光纤输出的照度和太阳输入的辐照度变化趋势基本一致,说明光纤采光系统具有良好的聚光性能。

太阳能聚光器聚焦方法主要有三种,介绍了不同太阳能聚光器的结构设计和聚光原理,并对其聚光性能进行了分析。同时,对国内外最新研究现状进行了总结和论述。三种聚光器中,折射式聚光器常采用不同形状的菲涅耳透镜作为主要光学元件,其设计自由度高,但透镜对光谱敏感容易产生色散;反射式聚光器结构简单,对太阳光谱有天然优势,但其聚光比普遍偏低,且占地面积较大,聚光效率与反射面上的镀层折射率等因素有关;混合式聚光器将不同原理的聚光器进行组合搭配,实现了太阳光能量的最大化利用,同时能在出口处得到均匀光斑。混合式太阳能聚光器中,平板型聚光器因其动态的聚光比和高聚光效率,越来越受到人们的广泛关注,但平板型太阳能聚光器仍需考虑制造和耦合误差的问题。太阳能聚光器是聚光光伏系统的重要组件之一,因此有关聚光器的研究具有重要的应用价值。聚光器的光学设计将向聚光效率更高、接收面聚焦光斑更均匀和系统结构更紧凑的方向发展,随着加工技术的不断成熟,聚光器将更加高效、轻量,其成本将进一步降低。

设计一个有效的连续自由曲面，将给定的准直激光光束映射成任意模式的目标照明，仍然是一个具有挑战性的问题。提出一种基于光线映射来构造连续自由曲面的方法，通过计算光源与目标区域两者辐照度分布之间的光线映射关系，构造出光滑连续的自由曲面。对于准直输入光束，采用最优运输法计算光源与目标之间的光线映射; 根据折反射定律和可积条件，推导出用于求解可积映射关系和连续自由曲面的一般条件; 证明在小角度近似的情况下，基于最优运输法得到的光线映射关系可以满足可积条件; 通过逐线积分法求解出满足一定边界条件的线性平流方程，从而完成连续自由曲面的构造。实验表明，利用逐线积分法求解标准积分方程构造出的连续自由曲面能实现任意模式的目标照明，能量利用率达98.95%。结果表明，基于最优运输法得到的光线映射关系在自由曲面和目标平面之间的距离较大时近似可积，提供了一种有效的构造连续自由曲面的方法。

为了解决平板型太阳能聚光器因受力不均匀导致的聚光效率下降的问题, 提出了以9块阵列透镜作为聚光模组的装配方式.设定聚光模组阵列与光波导板之间的空气间隙为2 mm, 通过ANSYS软件对聚光器进行线性静力分析和模态分析.设定风速为18 m/s, 高于指标等级14 m/s, 聚光器的模态分析基频为0.038 s, 满足结构刚度无需考虑动态影响的条件.讨论了结构组件在受到极限静风载的情况下, 聚光模组与光波导板结构之间的位移变化和对应的前6阶的模态系数.结果表明: 静力分析情况下聚光模组结构与光波导板之间的空气间隙最大位移为0.049 mm, 满足设计精度要求; 在5种角度工况下, 前6阶模态振型与施加预应力的模态振型相差在1%以内, 且对应振型图形态类似, 证明风载荷对于振型无影响.

建立了扇形无漏光聚光系统,对其几何聚光比与抛物线系数、聚光模组后抛物面宽度及聚光模组数量之间的相互关系进行了研究。针对光线耦合结构阵列后导致的漏光问题,提出了锯齿型无漏光波导板的设计方法,在提高聚光比的同时获得较高的聚光效率。通过分析太阳运行规律,提出可传动棱镜片组的设计以取代传统双轴跟踪方式,在一定意义上实现单轴追踪,降低系统运行功耗。在考虑菲涅耳损失以及材料吸收情况下,利用LightTools软件对所设计的聚光系统进行光线追迹,结果表明:在抛物线系数a=0.019时,几何聚光比达到1900,聚光效率为65.1%;在抛物线系数a=0.032时,几何聚光比达到1110,聚光效率达到约82.3%。

光场相机通过在主镜组和传感器间特定位置设置微透镜阵列,在采集物方光强的同时可记录光线方向。提出一种在频域内对光场相机获取的四维光场图像加密的图像数字水印方法。植入信息经Base64编码后生成二维图像,并通过Aronld迭代对此图像进行均匀化处理,建立与原始光场坐标系匹配的虚拟计算光场,在四维傅里叶域内以切片替换的方式将加密信息植入原始光场中,实现光场图像加密,然后,基于二者坐标对应关系,应用傅里叶逆变换提取加密光场图像中的植入信息。搭建光场采集系统,应用本文方法对采集的原始光场图像进行加密处理。实验结果表明,加密光场图像信噪比高,与原始光场图像相关性强,加密光场图像无明显伪迹和失真,算法简便快捷,稳定可靠。

针对室内可见光通信中光学天线存在的视场小、接收面光能分布不均匀,以及低功率光源条件下接收功率低的问题,设计了作为可见光通信系统光学天线的平板型聚光器,推导出适用于平板型聚光系统的光学增益理论公式。在一个(5×5×3) m房间中对平板型聚光器作为光学天线的接收功率分布进行仿真,得到直射和非直射链路信道下视场角为50°的平板型聚光器接收房间内各位置的光功率比直接探测时分别提升了16.2411 dBm和16.4956 dBm。

光场相机与传统相机不同, 通过在主镜组和传感器间特定位置设置微透镜阵列, 实现在采集物方光强的同时记录光线方向。为了重构物方光场, 研究了基于光场相机的深度面计算重构算法, 对该算法所采用的焦点堆栈、投影切片定理进行研究。首先, 对四维光场定义及光场相机工作原理进行分析; 建立了相机内部深度面重构模型, 分析了投影切片定理在深度面获取的应用, 并推导出不同深度面图像表达式; 根据得到不同深度位置图像, 研究了计算重构算法, 搭建了含有微透镜阵列的微型单相机光场采集系统, 采集原始光场, 利用本文方法实现了物方光场的逆向重构。实验结果表明：利用本文重构算法, 光场相机采集的物方光场可通过滤波计算方法逆向重构, 通过重构光场数据可获得物方场景深度信息。本文深度面获取算法较其他算法节省30%以上的时间, 各深度面图像峰值信噪比在25~30 dB之间, 实现了高精度、稳定可靠的计算光场重构。

基于微分几何原理,结合折射、反射定律以及能量守恒定律,将太阳能聚光问题转换成一个带有非线性边界条件的椭圆型Monge-Ampére方程,并建立了相应的数学模型。根据该数学模型,设计了自由曲面聚光器,利用光线追迹软件对所设计的自由曲面聚光系统进行了模拟研究。结果表明: 在考虑菲涅耳损失和光学材料的吸收情况下,当实际太阳光线以0.27°的发散半角入射时,1000 mm长度的自由曲面聚光器的几何聚光比达到500,聚光效率为77.5%。通过该方法设计的自由曲面具有很高的设计自由度,为设计不同程度聚光需求的太阳能聚光器提供了可能。