由于散射介质的散射特性, 入射光通过散射介质后相干性受到破坏形成散斑场, 使得传统光学成像系统无法聚焦探测内部物体的信息。根据波前整形原理, 通过反馈优化算法调控入射光束的相位, 在目标位置处将散斑调制为聚焦光斑, 光强增强。基于此方法, 在实验上搭建实验平台, 对空间光调制器(SLM)的每个像素加载系列等间隔相位, 一次采集多幅散斑图像, 应用局部最大优化算法实现对光束任意点聚焦, 并提出了一种得到不同大小区域的均匀的聚焦光斑的新方法, 为实现聚焦平面内的目标成像提供了新思路。

光场成像作为一种应用广泛的计算成像方法,其研究仍局限于电磁波谱中的可见光波段。因此,提出基于相机阵列的红外光场成像方法。首先利用单台被动红外相机移动到同一平面的不同位置分别对同一静态目标场景成像,获取原始红外图像序列,经平移视差校正后生成红外光场数据库;然后基于光场渲染理论,获得重采样图像。与只记录二维位置信息的传统红外成像比较,红外光场成像能够记录包含位置和方向的四维信息。实验结果表明,该法能够融合多幅低信噪比的图像获得一幅信噪比提高的重采样图像,通过孔径叠加平均可实现穿透遮挡物成像,通过选取不同深度值进行重采样可实现红外场景不同深度的数字重聚焦,使红外成像在**和民用领域更有应用价值。

当前，数字全息显微主要采用相干性好的激光作为光源，对设备及环境条件要求较高，且会在全息图中引入大量的散斑噪声和寄生干涉条纹。基于非相干光照明下的数字全息可以很好地解决以上问题。采用非相干光作为光源，空间光调制器和CCD组成非相干干涉仪作为全息记录模块，从波动光学角度分析了该模块的记录及再现原理，给出了系统的点扩展函数、横向放大率和再现距离。采用该模块结合物镜搭建了反射式同轴非相干数字全息显微成像系统。利用该系统对分辨率板成像，获得与传统宽场光学显微镜相当的空间分辨率。对300~500 μm单颗粒金刚钻进行全息拍摄，在不同平面实现了数字聚焦。结果表明，该系统可以快速获取微小物体的三维空间信息，在医学检测、材料分析等领域具有广阔的应用前景。

基于获取物体傅里叶频谱实现单像素成像的理论,提出了通过对液晶显示器(LCD)加载一系列 灰度条纹图像,利用置于屏幕前的单点光电探测器接收物体透射光强实现无透镜单像素成像的方法。 该系统降低了对硬件的要求,光路紧凑,灵活性强。理论上证明了LCD加载图像时图像灰度与透射 光强之间存在的非线性关系对系统成像没有影响,实验上验证了该方法的可行性。实验结果表明:加 载条纹后需预留给显示器液晶分子一定的响应时间以使探测器准确获取光强,显著减小了背景噪声和 共轭像干扰,提高了重建图像质量。

在对散射介质散射特性进行分析的基础上，提出了一种对散射介质中物体进行单像素成像的方法，基于数字微镜阵列和单点探测器，设计并搭建了相应的单像素成像系统。通过对数字微镜阵列加载一系列具有不同相位的条纹图案，采集对应的光强信息，结合图像恢复算法，实现了对位于散射介质中的物体成像。为了去除噪声，分析了噪声的来源，设计了滤波器对所拍摄的物体图像进行滤波处理，图像质量得到了显著提高。与传统散射介质成像系统相比，该系统结构简单，无需复杂的标定过程，在多个领域具有应用前景。

针对Zhang 算法中参考光强取值范围较大的问题，在对全息成像原理仔细分析的基础上，提出通过综合考虑多个参数进而确定参考光强取值范围的方法，并用透射和反射同轴数字全息成像实验及基于实验结果的图像重建验证了进一步缩小参考光强取值范围的有效性。结果表明，采用该两步相移法结合进一步缩小参考光强取值范围的算法可以有效去除数字全息图中的零级像和孪生像而不降低全息像的重建质量，并能够降低大约20%的计算量。

研究了两种光闪烁法测量近地表风速的方法,给出横向风速的计算公式。根据计算方法,在330 m的距离上进行 风速反演实验,与超声风速计测量结果对比表明,两种反演方法都能准确可靠地获取区域横向风速,但在大气稳定 度过渡期,斜率法精度更高。测量平均时间越长,结果一致性越好。结果表明,在一个较大区域里,大口径 闪烁仪能同时给出显热和横向风速,可以很好地应用于边界层物质交换评价。

涡度相关系统是测量水、热和痕量气体通量最直接和最可靠的仪器。基于可调谐半导体激光吸收光谱原理，设计了一种用于测量大气边界层痕量气体通量的新型开路式气体分析仪。通过选择不同的吸收线，可以测量不同痕量气体通量。以4990 cm-1二氧化碳吸收线为例，实验表明，该气体分析仪的采样频率可以达到10 Hz以上，与基于非分散红外原理的涡度相关系统气体分析仪Li-7500对比，测量精度相当，可以达到5×10-7。该分析仪的频率和精度满足构建涡度相关系统的仪器要求，可以用于边界层痕量气体通量的测量。

监测地气间动量、热量和痕量气体等的交换对水文、气象和生态环境等有着重要的意义。阐述了一种利用自行研制的大口径闪烁仪(LAS)、光学温度梯度仪和基于可调谐二极管激光吸收光谱术(TDLAS)的开放光路痕量气体监测系统，实现了较大区域热通量和二氧化碳等气体通量快速监测的方法。实验结果表明，所测数据与涡动相关(EC)仪的数据比较，显热通量的相关系数为0.91，二氧化碳通量的相关系数为0.74。由此，用大口径闪烁仪监测区域热通量和基于TDLAS光学技术连续可靠监测陆地区域碳通量是完全有可能的，这种方法在大区域热通量和气体通量监测将会有很好的应用前景。

可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)具有高选择性， 高灵敏度等特性， 非常适合监测农田痕量气体交换过程。 采用开放式光程的可调半导体激光吸收光谱和非分散红外光谱技术， 在封丘农田进行了一个月监测试验。 选择CO2作为目标气体， 用两种不同光谱技术选择不同的通量计算方法， 分别获取农田排放通量。 根据实验条件， 提出了TDLAS的通量印痕模型， 对比分析了两种技术的空间代表性特性， 同时分析了数据误差来源和不同外界因素对通量测量的影响特性。 结果发现在相同的气象条件下， 仪器架设高度越高， 光学路径越长， 开放光路的TDLAS通量贡献区就越大。 这些结果对通量监测中仪器安装有很好的指导意义。