半导体激光器在激光扫描中得到了广泛应用，但由于其快慢轴发散角差异较大，需要进行光束整形。为提高线阵半导体激光器的光束均匀性，并满足小型扫描成像系统的微型化需求，提出一体化透镜阵列光束整形系统设计方案。系统采用一体化非球面透镜对高斯光束进行整形，快轴进行准直，慢轴进行扩束，能够获得高长宽比、光强均匀分布的线光束。理论分析一体化非球面透镜阵列进行准直扩束的原理，依据费马原理确定系统初始结构参数。利用光学设计软件对系统进行仿真优化，得到快轴发散角为2.8 mrad、慢轴发散角为48.93°（长宽比为325）、能量利用率为88.79%、能量均匀度为94.51%的线光束。结果表明，此方法整形效果理想、结构简单、体积小，符合未来光束整形系统微型化的发展趋势。

为了研究云粒子微观特性, 采用激光成像技术、高斯光束匀化处理技术、高分辨率阵列探测器以及图像抽帧还原算法, 研制出激光云粒子成像仪。通过地面模拟测量及实际飞行试验, 对仪器性能进行了测试。结果表明, 研制仪器可实现对25 μm~1550 μm云粒子的成像, 分辨率为25 μm, 粒径测量误差小于9.5%; 实测的冰晶粒子形态符合云粒子自然分布规律, 粒子尺度谱符合指数分布, 决定系数在0.58~0.97之间。该研制仪器可为云降水微物理研究提供基础观测数据。

单镜头天幕靶配接线阵光源构成等腰三角形探测光幕, 常用作室内靶道速度测量装置, 探测灵敏度直接影响天幕靶测速精度。分析了该类探测光幕的构建及工作原理, 考虑天幕靶光学镜头的边缘效应及照度距离衰减, 建立了灵敏度计算模型, 推导了弹丸穿过光幕时刻遮挡光源引起光通量变化量的计算公式, 以弹丸穿过光轴上某处产生的光通量变化量为参考值进行归一化处理, 得到探测光幕内灵敏度分布规律并进行实弹射击试验验证, 文中的结论可用于指导天幕靶配接线阵光源测速系统的使用和设计。

为了实现对飞秒光丝内部空间结构特征的精细化描述，通过对光丝诱导形成超声信号的正向传播过程进行精细化模拟，然后采用通用反投影算法（UBP）、延迟叠加算法（DAS）和超优光声非负重构算法（SPANNER）等多种光声层析图像重建算法进行反向重建，理论验证了利用多元线性阵列探测的方式重建飞秒单丝和多丝轴向r-z截面图像的可行性。结果表明，当探测距离为3 mm时，单丝和多丝诱导形成的超声信号最大频率约为5 MHz；光声层析法能够较为准确地实现对单丝位置、r-z截面轮廓等信息的反演，但是不同图像重建算法重建效果差异较大。UBP重建算法对单丝的重建存在较为明显的伪影现象；DAS重建算法由于受到“有限孔径效应”的影响，高估了光丝的直径；SPANNER重建算法由于使用最优理论来改进非线性共轭梯度算子，实现了非负性和各向异性总变分正则化，可有效避免噪声干扰，因而对多丝图像的重建效果最好。该研究结果对于揭示光丝结构特征和促进基于光丝的大气应用研究具有一定的参考价值。

针对卫星发射前在轨数据缺乏导致的无法进行成像质量评估、链路分析及几何处理算法验证等问题，提出了一种基于光线追迹的长线列摆扫式热像仪在轨几何成像仿真方法。首先根据光学系统结构及成像特点，构建了长线列摆扫式热像仪严格几何定位模型；然后，基于姿轨仿真数据、DOM和DEM辅助数据，通过光线追迹及重投影算法实现了像元视矢量的空间投影及成像仿真；最后，提出了基于“广义”修正矩阵的几何检校方法，通过修正定位模型提高了仿真影像定位精度。实验结果表明，该方法可实现长线列摆扫式热像仪任意轨道位置的几何成像仿真，检校后仿真影像定位精度优于2个像元。该研究为空间光学载荷在轨几何成像仿真提供了新思路，对成像链路误差源分析、几何定位及检校方法研究具有重要意义。

随着现代工业的发展, 由于传统的二维超声成像检测反映的缺陷空间信息过于片面, 已经不满足实际的检测需求。因此, 超声三维成像检测技术应运而生。超声三维成像技术包括丰富的缺陷空间信息, 对工件的无损评价有实质性的帮助。该研究借助可视化工具包(VTK)绘制平台, 采用编码器触发的一维线阵换能器对工件进行全覆盖式扫查, 将每个截面的相控阵线阵换能器扫查所得的A扫波形信号进行横向排列处理, 绘制出各个截面的B扫图像。提出了最临近插值绘制法, 将各个截面的B扫图像进行堆叠, 重构工件的三维图像。通过对试块的三维成像结果表明, 该成像方法能准确地反映缺陷的空间信息。