宽视场光学成像系统可以增大光学遥感器观测范围、提高探测效率。近年来，基于自由曲面的光学系统设计和制造取得了重大进展，为设计大视场、大相对孔径、高分辨率、高成像质量、无遮挡离轴反射系统提供了可能性。首先，分析了大视场离轴反射系统的像差特性，指出当不断增加系统视场角，尤其是子午方向视场角时，与视场相关的非对称高级像差量将剧烈增加；像场连续性要求更加凸显。接着，提出了一种二维大视场长焦距离轴光学系统设计方法：在常规光学系统初始结构基础上，采用多重结构形式，使子午方向视场角离散化，光学系统特定曲面分解为两个子曲面；并构建系统约束条件，通过约束系统外形尺寸、优化系统结构形式进而完成系统优化设计。最后，基于提出的方法，设计了一款焦距为1 000 mm，像方F数为10，视场角为40°×16°的自由曲面离轴四反光学系统。设计结果表明：该系统全视场范围内成像质量较好，50 lp/mm的特征频率下，400~750 nm可见光波段内光学调制传递函数优于0.26，证明该方法切实有效。

针对国内外市场对近距离、大屏幕投影系统中需降低投影镜头加工难度及成本的要求，该文设计了一款超短焦投影镜头。设计过程中选用折反式结构，利用物、像关系原理，结合物方视场计算反射镜面型参数，得出反射镜面型。该方法便于校正大视场畸变、抵消折射镜组的像散和场曲，整个光学系统包括15片球面透镜和一片非球面反射镜，系统总长286 mm，投影距离500 mm，投射画面尺寸254 cm（100 英寸），系统投射比0.22，相对照度大于85%，MTF（modulation transfer function）在0.4 lp/mm时大于0.5，水平TV畸变小于0.55%，垂直TV畸变小于0.65%。该系统的多项设计指标均优于市面上现有的产品指标，采用同轴球面设计易于加工、装调，可有效降低生产成本。

对相位敏感光时域反射系统相位模糊问题和解卷绕进行了研究，推导了系统中扰动引入的相位变化的整个过程，分析了相位敏感光时域反射系统相位解调过程中产生相位模糊的原因。实验采用压电陶瓷作为扰动源，通过数字相干解调方法进行了相位解调。实验结果表明，相位模糊同时存在于每条相位解调曲线上和曲线之间，因此需要进行两次相位解卷绕消除相位模糊现象；同时，对实验中产生的相位错乱进行了分析，指出相位解卷绕阈值和扰动位置相位的剧烈变化导致了扰动位置相位解卷绕结果不准确，提出了采用相位差变化峰之后的临近位置处的相位变化来还原扰动。实验表明，这种方法能够正确还原扰动信号，能够对10 Hz~1.5 kHz范围内的扰动信号进行准确解调，可同时响应并解调光纤沿线多点扰动，且相位变化幅值与扰动强度具有良好的线性关系。

针对相位敏感光时域反射系统中传统人工特征提取和模式识别方法实时性差、准确率低的问题，提出一种波网络模式识别方法。该方法通过因果空洞卷积结构充分分析光纤振动信号的时序因果性，通过残差块结构使模型更快收敛，以实现更高的识别准确率和效率。实验结果表明，在对手拍、脚踩、棒击三种信号识别时，与一维卷积神经网络结构和长短期记忆网络结构方法相比，该方法识别准确率高达99.85%；且训练耗时最少，低至96 s，测试耗时也仅为30 ms，满足应用实时性的要求。该模式识别方法既具有高准确率又具有高实时性，对于φ-OTDR系统在周界安防中的应用推广具有重要意义。

为从原理上阐述同质材料反射系统的温度特性，并为光学系统设计提供依据。以热变形特征及其计算方法为基础，以光学系统焦点为研究对象，依次介绍单反射镜、共轴多反、离轴反射系统的温度特性，并建立了相应热差模型。仿真结果表明，离轴三反系统后焦距随温度的变化情况与对应镜筒的热变形量完全一致，其在较大温差范围内具有良好的成像质量。由温度变化引起的热离焦可被镜筒补偿，验证了理论模型的正确性，得出在均匀温度场条件下同质材料反射系统无热差的结论。因此，当光学系统尤其是热差效应明显的红外系统采用同质材料反射系统时具有良好的温度适应性。