视觉里程计在智能机器人、自动驾驶等领域有着广泛的应用。但是基于有限视场(FOV)针孔相机的经典视觉里程计算法容易受到环境中运动物体和相机快速旋转的影响,在实际应用中鲁棒性和精度不足。针对这一问题,提出全景环带语义视觉里程计。通过将具有超大视场的全景环带成像系统应用到视觉里程计,并将基于深度学习的全景环带语义分割所提供的语义信息耦合到算法的各个模块,减小运动物体和快速旋转的影响,提高在应对这两种挑战性场景时算法性能。实验结果表明,相较于经典的视觉里程计,所提算法在实际环境下可以实现更加精确和鲁棒的位姿估计。

折返式全景成像技术作为一种新型的成像技术是光学设计领域近十几年的研究热点，但该技术有一个重大缺陷——在镜头的正前方存在观测盲区。本文设计了一种拥有双观测模式的新型全景成像仪。相比于传统的折返式全景成像仪，该仪器可以同时对前向视场360°×（0°~55°）和环形视场360°×（55°~95°）进行观测。其中，前向视场很好地补充了折返式光学系统的中央观测盲区，并增加了CCD探测器的面积利用率。该成像仪光学系统由前置透镜组、全景环形透镜和中继转像系统三部分组成。所有的透镜表面均为球面，具有易加工、低成本的特点。最后针对这种光学系统设计了对应的机械结构，从而为以后成像仪的加工、装调服务。该成像仪设计为折返式全景成像技术提供了一个新思路。

为了进一步扩大视场,实现水平上下对称视场的全景环带成像,使用了一种新的利用非球面PMMA设计的全景环形透镜(PAL)。视场达到(-30°~+30°)×360°,并且缩小了中央处的盲区,提高了CCD的利用率。对全景环形透镜的视场和畸变控制方法进行了理论分析,介绍了非球面全景环带透镜的设计方法。设计了一套全非球面PMMA的全景环带系统。系统总长为53 mm,焦距为2.85 mm,PAL最大口径为62.4 mm,光谱范围为0.486~0.656 μm(可见光谱)。后继转像镜组由7片透镜构成,系统后焦距(BFL)为5.4 mm。分析结果证明系统像差校正良好,扩大了系统的应用范围。

通过动态链接库方式在Zemax中建立Q-type非球面接口，利用Q-type非球面设计了一款工作在可见光波段，垂直半视场为30°～110°，焦距为-1.25 mm，F 数为5，系统总长为28.7 mm 的全景环带光学系统(PAL)。该光学系统由7 片透镜组成，包含6 片球面镜和一片两面均为Q-type 面型的非球面镜片。对设计结果进行了分析，全视场FTheta畸变小于1%，在奈奎斯特空间频率83 lp/mm 处调制传递函数(MTF)高于0.5，成像效果接近衍射极限。为验证Q-type 非球面在PAL 设计中的优越性，实际设计了一个与Q-type 面型PAL 具有相同参数的偶次非球面PAL，对两者进行了分析比较。结果表明，在相同的计算平台下，Q-type 非球面多项式系数的有效数字比对应的偶次非球面的多3~6位，有效减小了优化过程中计算机数字系统截断误差对优化过程的影响，有利于提高光学系统优化设计效率、提高非球面光学零件的加工精度和检测精度。

基于全景环形透镜的成像技术是全景成像中的一种最具潜力的成像方式,具有高分辨率的长焦距全景环形透镜成像系统光学结构较复杂,结构设计是首要解决的问题.本文根据全景环形透镜成像系统的光路结构及成像特性,详细讨论了全景环形透镜和转像透镜组两部分的设计方法,分别设计了单块全景环形透镜和复杂化全景环形透镜,并对它们的像差特性做了对比,分析了它们之间的光路衔接条件和像差补偿方案.该设计采用小尺寸CCD离轴扫描接收环形像,同时分析了这种扫描机构的可行性.系统要求在300 m处需分辨250 mm大小的物体,通过计算合理地选择了系统焦距和CCD型号并制定了一套技术指标.最终设计出了焦距8 mm,F/#3.2,侧向视场40°~100°的高分辨全景环形透镜成像系统,系统由三胶合结构的全景环形透镜和8片6组的转像透镜组构成,所有表面均为球面.该系统全视场的调制传递函数在80 lp/mm处均高于0.5,最大视场像面的相对照度高于0.95,全视场f-θ畸变在±3%以内,该设计很好地满足了使用要求.

提出了一种将全景成像系统应用到大气临边探测的光学系统设计方案。 首先考虑到特殊的工作波段以及创新性应用, 根据应用技术指标, 在传统全景环形透镜的基础上, 结合探测器尺寸限制, 精细调整四个球面的曲率半径, 以便得到最佳光学传递函数。 然后基于像差理论设计中继镜组系统, 补偿全景环形透镜产生的像差, 采用折射率n以及阿贝常数ν不同的双分离的正负透镜组合, 负透镜采用熔石英, 正透镜采用氟化钙, 从而使色差最小。 最后运用CODE-V光学设计软件对系统进行优化, 列出重要的公差参数, 为后续加工装调提出要求。 优化结果表明, 光学系统在各个视场的光学传递函数均达到了07以上, 各视场能量集中度为80%的弥散圆直径均小于11 μm, 完全满足设计指标要求, 也证明了将全景环形成像系统应用到紫外波段大气临边探测的方案是可行的。

全景环带透镜（PAL）在有强光的实际运用中经常会出现像杂散光较强和信噪比降低的情况，对产生的杂散光的分析及抑制非常重要。分析了PAL光学系统中杂散光的主要来源，并提出了一种针对透射面反射产生的杂散光的抑制方法。利用ASAP软件进行仿真，分析了基于该方法设计的PAL光学系统的杂散光情况，结果表明，对比普通的同光学参数的PAL系统，在50°~85°半视场时由透射面反射引起的杂散光减少了约85%，其他视场时杂散光未增多。设计了杂散光对比实验，实验结果验证了仿真结果，表明提出的杂散光抑制方法可以有效抑制PAL光学系统中的杂散光。

提出了一种基于全景环带透镜（PAL）的全景与长焦组合成像系统设计方法。该系统由沿光轴放置的反光镜单元、长焦单元与PAL单元组成。长焦单元通过二次成像的方式与PAL单元成像于同一传感器上，其像面利用了PAL单元中央的盲区。反光镜单元可绕光轴旋转与俯仰摆动，能将全景环带像面上的任意物点放大10倍。该系统在实现360°全景探测的同时还能将重点区域实时放大，且只使用单一光学系统与传感器，弥补了PAL单元的盲区。此外该系统还可计算环带视场中物点与光学系统的距离。系统总长约300 mm，最大口径为160 mm，PAL单元视场角为360°×(30°~100°)，长焦单元视场角为±3°，两单元全视场在100 lp/mm处的调制传递函数(MTF)值均高于0.55。

全景环形透镜(PAL)是基于平面圆柱投影法将围绕光轴360°的视场投影到环形平面上,具有景深无限远,图像映射关系为线性特点,在机器人视觉、监控和虚拟现实领域有着重要的应用。实际应用中需要将环形像无失真的展开为常规平面像,此过程需要进行插值处理,三次样条插值精度较高,但是速度很慢。文章采用Bezier曲面的插值算法,并针对全景图像的特点,提出了Bezier曲面的全景图像快速插值算法,使得图像分辨率比样条插值和双线性插值得到改善的同时,插值处理时间比三次样条插值缩短了80%左右。