针对传统偏振成像技术机械振动大、系统不稳定的问题, 提出了一种基于Stokes矢量的双相机偏振成像技术, 在液晶驱动控制器的作用下, 驱动2个液晶可调相位延迟器(LCVR)进行柔性调制, 利用相机采集目标的偏振图像, 进一步得到Stokes矢量的分量图像, 解算出偏振度、偏振角图像。该方法利用双相机同时成像技术, 解决了单相机采集信息不完整的问题, 可以实现完全Stokes测量, 同时获得目标的线偏振和圆偏振图像。实验结果表明, 偏振度(Dop)图像相较于线偏振度(Dolp)图像, 包含了更多的细节信息, Dop图像在图像评价指标方面均有5%以上的提升, 说明Dop图像可以更好地还原被测目标物。采用该方法可以提高对静态目标的识别能力。

在利用电荷耦合器件CCD对激光光束质量测量的过程中, 通过对比不同的激光波长, 分析了CCD的光电响应非线性特性对光束质量M2因子评价的影响。由于对未进行线性标定的CCD所测得的四种不同波长的激光器的光束束宽值相对比较大, 这会对激光光束质量的测量精度带来影响, 因此提出了一种新的基于面阵型光电探测器的光电响应标定方法。搭建基于CCD测量法的激光光束质量测量系统, 建立高斯型激光光束的近远场传输模型, 对激光束在传输方向上不同位置处的焦散廓形进行多次采样, 利用统计学方法得到CCD的光电响应线性区间。仿真和实验结果表明: 利用CCD光电响应特性的标定结果对图像进行非线性灰度修正, 对比国际标准激光光束质量分析仪, 所测得的激光光束质量M2因子更加准确且相对误差降低了2.36%。提出的方法可有效提高激光光束质量M2因子的测量精度, 对于评价激光光束质量具有重要的应用价值。

针对传统的侧视激光合成孔径雷达成像系统的缺点, 研究了一种基于RMA的前视激光合成孔径雷达成像算法。首先研究了前视激光合成孔径雷达的组成原理, 给出了系统的结构框图, 分析了点目标的距离向和方位向多普勒历程, 采用Matlab对成像结果进行了仿真, 并对点目标的成像包络进行了详细仿真, 结果表明, 该算法可对雷达前视场景的目标进行有效成像。

采用扩展的Nijboer-Zernike(NZ)方法的逆运算，由焦平面区域的两幅强度图像，获得激光光束出瞳面的振幅信息和相位信息，进而给出激光光束质量因子M2、束宽、束散角、瑞利长度。构建了满足精度要求的实验系统，对一个He-Ne激光器在两天内进行两次测试。将得到的波前相位与相位差异法得到的波前相位进行比较，证明激光波前相位测试结果合理；将得到的特征值数据与M2-200s-FW型激光光束分析仪得到的数据进行比较，证明激光光束特征值测试结果合理。对比两天测试结果，说明该测试系统是稳定可靠的。

由于光斑质心探测精度直接影响夏克-哈特曼波前传感器的波前探测精度, 本文提出基于标记分水岭法来确定阵列光斑质心探测窗口。首先, 对采集到的夏克-哈特曼阵列光斑图像进行平滑并求出其梯度图像; 然后, 利用大津(OTSU)阈值法在求出的梯度图像上进行目标标记, 最后在标记过的梯度图像上进行分水岭分割, 确定出每个光斑的探测窗口。由于该方法确定的质心探测窗口是对光斑实际大小进行匹配, 故有效地抑制了噪声对质心探测的影响。实验结果表明: 利用该方法确定光斑探测窗口所计算的质心精确度和稳定性均比传统的在子透镜窗口中计算光斑质心的方法要高。统计多幅图像计算得到的窗口质心标准差的平均值为0.010 9, 比传统法计算出的平均值0.073 4提高了6倍, 满足哈特曼波前传感器对光斑质心计算稳定性和精确度的要求。

针对空地激光通信系统, 推导了复合光栅螺旋扫描捕获方法所需的最大捕获时间、平均捕获时间和捕获概率的计算公式, 建立了捕获性能仿真模型, 分析了捕获时间和捕获概率的关系, 以及空中平台的相对速度对捕获系统的影响和抑制方法.仿真结果表明, 当通信终端的捕获不确定区域为50 mrad, 扫描重叠因子为0.12时, 捕获探测器的信噪比大于6时, 空地激光通信系统总的捕获概率优于95%, 最大捕获时间约为36 s, 平均捕获时间约为12 s.

夏克哈特曼波前传感器因其可以同时测量激光的强度及相位信息，已广泛用于激光光束质量检测中。根据实际检测的要求，设计夏克哈特曼传感器系统的参数是构建检测系统的重要一环。综合考虑了夏克哈特曼传感器的动态范围、灵敏度和精度等要求及其相互制约问题，进行了夏克哈特曼传感器的参数设计。 说明了具体的指标设计过程，并根据设计指标，研制了激光光束检测系统。系统实际达到的单孔径的动态范围为3.7λ(λ=632.8 nm)，灵敏度为0.01λ，菲涅耳数为2.468，符合激光光束检测系统的要求。

在10℃～230℃温差下, 对大气相干长度r0分别采用夏克哈特曼的到达角起伏法、差分像运动法、波面法三种测量法和四象限探测器进行了测试和对比；对折射率结构常量C2n及闪烁功率谱分别采用夏克哈特曼和光电倍增管进行对比.实验结果表明：对于r0, 在强湍流时四象限探测器比夏克哈特曼的稳定性明显降低, 且对夏克哈特曼三种方法, 差分像运动法可克服设备抖动等问题, 但引入了方向上不一致的问题, 波面法可有效避免该问题；对于C2n, 夏克哈特曼比光电倍增管测量更稳定, 拟合相关系数高达0.96；对于闪烁功率谱, 由于噪音影响, 在200℃时夏克哈特曼比光电倍增管测得的最大频率高15 Hz；最后, 通过对夏克哈特曼子孔径的闪烁功率谱分析得出, 若同一子孔径入射光强不在CCD响应的线性区间时无法准确测量闪烁功率谱, 否则可通过不同子孔径可完成湍流均匀性的测量.这将为湍流池提供最优的测试方法及理论依据.

分析了大气湍流对高速激光通信影响的研究方法、现状及必要性，建立了高速激光通信用大气湍流模拟装置，提出了大气湍流对高速激光通信影响的模拟实验方案，采用实验室内半实物模拟的方法，利用大气湍流模拟装置模拟中弱强度的湍流，搭建激光传输实验系统，并进行了光强闪烁方差及频谱、到达角起伏方差及频谱等测试，结果表明，该大气湍流模拟装置的光强闪烁、到达角起伏符合-5/3理论，光强闪烁、到达角起伏是影响激光通信性能的主要因素，为深入研究大气湍流对高速激光通信影响提供了有效手段和方法，最后对大气高速激光通信未来的发展方向进行了展望。

为了满足空间光通信精密跟踪的需求，在信标光路中保证光电探测器接收到的激光能量稳定不变，研制了满足大气环境下动态光强稳定装置。对该装置所采用的基于液晶的高帧频相机动态调光技术进行研究。通过与传统机械调光、电子快门调光相比较，验证基于液晶的高帧频相机动态调光技术的可行性。结合空间光通信系统的特点，阐述基于液晶的动态调光原理。介绍了基于液晶的动态光强稳定装置系统组成，给出实验数据和结果。结果表明：采用液晶光束衰减器对高帧频CCD相机进行动态调光，可以实现在无机械运动部件条件下对信标激光能量进行自动控制，从而保证探测器接收到的激光能量稳定。因此在空间光通信中，基于液晶的高帧频相机动态调光技术是可行的，而且有着广阔的应用前景。