相机链式路基沉降监测系统通过图像式测量的方法可以实现高精度、非接触的铁路路基沉降监测。图像式测量的精密性和灵敏性对准确快速评估系统性能提出了要求，需要变定期维护为动态维护，提出了利用光斑图像质量反映系统性能的策略。引入了边缘清晰度、相对亮度、图像信息熵、光线垂直程度4个参数用以评估光斑质量，应用层次分析法和熵权法确定上述参数所占权重，构建了光斑质量综合评价模型，完成了模拟实验和现场实验。模拟实验结果表明，该模型能很好地跟踪光斑图像质量分数变化，具有较好的灵敏性；现场实验结果表明，该模型评价光斑质量结果准确，分析得出设置质量分数阈值为0.95，定位误差小于1 mm（沉降测量规范中允许误差范围）。当光斑图像质量分数持续未达到阈值且超过静置时间时，系统需要维护，实现了系统状态实时监测以及动态维护功能。

光斑质量直接影响激光位移传感器测量的精度。为了提高激光位移传感器传感探头光学系统的成像质量, 设计了传感探头四片式微小型光学系统。本文在理想成像基础上, 分析光束在光学系统中能量传递的变化规律, 对比光电探测器的感光能力, 利用光学设计软件(ZEMAX)实现了激光位移传感器传感探头微小型光学系统的设计。通过理论计算分析, 严格控制传感探头孔径光阑的大小, 对光学系统进行优化处理, 成像最大弥散斑半径低于33 μm, 空间分辨率120 lp/mm以下的传递函数MTF(Modulation Transfer Function)值大于05, 光线扇形图的最大像差小于5 μm, 畸变量低于01859%。该光学系统具有良好的成像效果, 可以满足激光位移传感器探测系统对成像系统成像光斑质量的要求, 以保证传感器的测量精确度优于5 μm。

为了实现在车载观瞄系统原位不解体条件下快速、准确的性能检测, 利用离轴反射式大口径平行光管搭建光学系统。基于TracePro实现对该光学系统光线追迹,对光斑质量和精度计算进行了研究。在分析离轴反射式平行光管性能和结构的基础上, 设计了测试装置的光学系统; 分析了该光学系统主要的误差来源及大小, 结合误差合成理论计算其检测精度。结果表明: 成像在该光学系统焦点处的光斑能量分布较为集中, 距中心点0.6mm范围内的光斑能量占总能量的81.39%,该光学系统的检测精度能够达到2.9226″。满足了对车载观瞄系统光轴平行性原位检测时的精度要求, 测试装置的架设、校准也较为容易。

为使太阳模拟器的接收靶得到高能流高均匀度光斑，需要对聚光系统进行优化设计。提出利用非共轴椭球面聚光镜优化光斑质量的方法，使光斑的能流分布均匀度有明显改善。利用蒙特卡罗光线追迹方法，设计了聚集型高焦比太阳模拟器。在第二焦面处，80 mm直径的接收靶面上可接收10 kW的辐射光能，光斑对称性和均匀性好，系统的传递效率为23.81%，80 mm直径靶面内的平均能流密度为2 MW/m2，50 mm直径靶面内平均能流密度达到3.64 MW/m2，对应的理论色温超过2800 K。采用非共轴椭球面聚光镜，成功研制了由电源控制系统、冷却系统、氙灯光源和聚光系统构成的太阳能模拟器。经实验测试，太阳模拟器的聚光光斑与光学仿真软件TracePro模拟光斑符合得很好。

利用数值方法研究了各种起伏条件下湍流大气中准直激光束的短曝光光斑特征,分析了Strehl比、能量Strehl比、峰值Strehl比和锐度(Sharpness)的统计特征,探讨了它们描述光斑质量的适用性。结果表明,能量Strehl比适于描述光斑的整体集中质量,而锐度能很好地反映局域内能量集中程度,可作为描述短曝光光斑质量的评价参量。不同光传播起伏条件下湍流大气中准直激光束的短曝光光斑的统计特征表明,湍流有助于提高准直光束的局域能量集中程度。

LD泵浦的Nd∶YAG/BBO腔内倍频蓝光激光器中的第2个BBO倍频晶体的光轴相对于第1个BBO倍频晶体的光轴成两倍位相匹配角放置时,可补偿倍频光束在晶体内的走离效应,能有效地改善倍频光输出激光光斑质量.在每个BBO晶体的长度为1.5倍的有效作用长度时,仍获得了椭圆度为0.99的圆形光斑.

利用数值方法研究了不同起伏条件下准直激光束在湍流大气中的传播,分析了光斑的分形维数以及相位不连续点数目的统计特征.结果表明:随着起伏条件的增大,光斑的分形维数以及相位不连续点数目增大;光斑的分形维数与锐度(描述光斑质量的参量)有一定的关系,但相位不连续点数目与光斑质量不存在确定的关系.在特定的计算条件下,分形维数一直随起伏条件的增大而增大,没有出现类似于闪烁饱和的现象.在一定的起伏条件下,相位不连续点数目具有一定的统计分布,而不是一个确定的值,并且具有相当的发散性.