High accuracy and time resolution optical transfer delay (OTD) measurement is highly desired in many multi-path applications, such as optical true-time-delay-based array systems and distributed optical sensors. However, the time resolution is usually limited by the frequency range of the probe signal in frequency-multiplexed OTD measurement techniques. Here, we proposed a time-resolution enhanced OTD measurement method based on incoherent optical frequency domain reflectometry (I-OFDR), where an adaptive filter is designed to suppress the spectral leakage from other paths to break the resolution limitation. A weighted least square (WLS) cost function is first established, and then an iteration approach is used to minimize the cost function. Finally, the appropriate filter parameter is obtained according to the convergence results. In a proof-of-concept experiment, the time-domain response of two optical links with a length difference of 900 ps is successfully estimated by applying a probe signal with a bandwidth of 400 MHz. The time resolution is improved by 2.78 times compared to the theoretical resolution limit of the inverse discrete Fourier transform (iDFT) algorithm. In addition, the OTD measurement error is below ±0.8ps. The proposed algorithm provides a novel way to improve the measurement resolution without applying a probe signal with a large bandwidth, avoiding measurement errors induced by the dispersion effect.

为了确保低温辐射计测量准确度，开展了低温辐射计光功率修正因子的研究。介绍了低温辐射计测试系统光路结构和光功率的测量过程。分析了影响低温辐射计光电加热等效替代的四个主要因素。利用搭建的影响因子测试装置，对布儒斯特窗口透过率、杂散光和黑体腔吸收率三个影响因子进行了测试；采用有限元分析方法，对光电加热不等效性因子进行了仿真计算。测试和仿真计算了自主研制低温辐射计光电加热等效替代修正因子，结果显示，布儒斯特窗口在632.8 nm处的透过率为0.996 817，杂散光修正因子为0.999 013，黑体腔吸收率为0.999 950，光电不等效性修正因子为1.009 240±0.000 010。该研究结果可用于低温辐射计的修正，对低温辐射计各功能模块的设计、测量不确定度的提高以及低温辐射计的研制具有一定参考价值。

为实现自由曲面的定位与位姿高精度测量，提出了“光学-机械”基准定位法，建立了位姿测量模型，并对该方法的定位误差和基准选择展开研究。根据三坐标测量机与计算全息提出了“光学-机械”基准定位法。然后，采用球形安装的回射器（Sphere Mounted Retroreflector ，SMR）、猫眼、基准球作为基准，基于波像差理论与视差效应分别建立了3种基准的位姿测量模型，得到了位置误差与基准区域波前像差的函数关系，并对3种位姿测量模型进行对比。最后，对3种基准位姿测量方法进行仿真及实验验证，实测结果与模型的残差结果均小于0.05λ，相对误差均小于2.43%，验证了模型的准确性。实验结果表明，当检测距离为1 000 mm时，猫眼法的轴向定位误差为24 μm；基准球法的轴向定位误差为50 μm；SMR靶球法的轴向定位误差为16 μm，X，Y方向的定位误差为1 μm，滚转角定位误差为3.26″。SMR靶球法的定位误差最小、检测动态范围最大且检测光学元件的自由度最多，更适用于自由曲面的高精度位姿检测。

在碳中和的国际大背景下, 精确可靠地定量测量大气温室气体浓度对实现碳中和目标具有重要意义, 开发测量结果可直接溯源至国际单位制SI的气体分析仪是精确可靠监测温室气体浓度的重要方法。 可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术是常用的气体浓度测量方法, 根据比尔-朗伯定律, 实现仪器的测量浓度直接溯源至SI的必要条件之一是可直接溯源的气池光程, 气池光程的不确定度直接影响气体浓度的测量不确定度, 对气池光程的可溯源精确测量有利于发展测量结果可直接溯源的气体分析仪。 针对光程标称为81 cm的三次反射型气池光程可溯源测量需求, 使用校准的米尺测量该气池光程得到的直接测量结果为(81.21±0.80) cm, 较大的测量不确定度(0.80 cm)是综合考虑定位误差和三段光路与测量路径可能不重合导致的测量误差估算得到的。 为了减小测量不确定度, 本文搭建了TDLAS气池光程测量系统, 测量系统以1 576 nm分布式反馈激光器为光源, 通过在激光控制器上加载斜坡扫描电压来测量待测气池内标准高纯二氧化碳(CO₂, 99.999%)在6 344.68 cm^-1附近的吸收光谱, 使用测量结果可直接溯源的压力传感器和温度传感器分别测量气池内的压强和气体温度, 采用美国国家标准技术局最新测量得到的30012-00001跃迁带P 4e支线强(相对标准不确定度为0.15%)反演气池光程, 使用二次速度依赖Voigt线型精确拟合不同气压(36~75 Torr)下的光谱吸光度信号获得对应气压的积分吸光度, 全面分析各参量的测量不确定度及其传递过程, 对不同气压下的积分吸光度进行线性回归分析, 计算得到可直接溯源的气池光程为(81.61±0.42) cm, 相对标准不确定度为0.51%, 测量不确定度范围落在直接测量结果范围内, 测量不确定度小于直接测量结果。 本文气池的光路结构是多次反射长光程气池的简化, 该系统同样适用于多次反射长光程气池光程的可溯源测量。

针对面结构光式扫描仪测量自由曲面轮廓度的不确定度溯源问题，提出2种不同的不确定度评估模型，从不同角度评定测量任务。基于误差源分析的透明箱模型根据曲面轮廓度的函数关系计算测量点从测量坐标系转换到CAD数模所在坐标系的变换矩阵，利用坐标转换得到的旋转、平移参数分析测量不确定度。基于量值统计的黑箱模型从测量结果分析得到测量系统的特性指标，依据特性指标示值误差、自校准误差、点云拼接误差、点云配准误差、重复性、复现性以及仪器分辨力建立评定模型实现不确定度评定。实验结果表明：基于透明箱模型的不确定度为0.020 mm，基于黑箱模型的不确定度为0.023 mm。黑箱模型可以更为效率、便捷地客观评价结构光式扫描测量系统测量自由曲面的不确定度。

针对传统的投影仪畸变标定方法系统结构和理论推导复杂等问题，提出一种基于相位标靶的投影仪畸变测量和校正方法。该方法以附有全息投影膜的液晶显示屏作为相位标靶，液晶显示屏依次显示水平和垂直方向的正弦条纹图像，投影仪向相位标靶依次投射水平和垂直方向的正弦条纹图像，并分别计算显示条纹和反射条纹的绝对相位。利用两组相位在相机像素上的对应关系，将投影仪投射相位转换到液晶显示屏相位坐标系中，从而测得投影仪的畸变。根据采集的相位空间关系进行畸变校正，使投影仪投射的等相位线在相位标靶上呈直线分布。实验结果证明，该方法可测量并校正投影仪的畸变，不受相机成像质量的影响，可为条纹投影三维形貌测量技术提升投影质量。

为解决双频外差法展开条纹相位中出现跳跃性变化的问题，提出了一种改进方法。首先，根据外差原理计算出条纹级数的小数部分，再由该条纹级数对应频率的光栅条纹的相位主值计算出当前小数部分的实际值。然后，根据相位主值自身误差设置判定阈值，并用该阈值对上述计算值与实际值的差值进行判断。最后，根据判断结果对中间参量的周期次数进行加或减的调整，以校正绝对相位。通过在仿真双频条纹图案的相移图中加入不同均值和方差的高斯噪声，对比校正前后的相位图，分析了改进方法对相位跳跃性误差的校正率，并通过样件实测实验来验证该方法的实用效果。实验结果表明，该改进方法对绝对相位跳跃性误差的校正率可达90%以上，具有较强的抗噪性和实用性。