高光谱分辨率激光雷达由于可实现对大气参数的精确反演，在大气遥感领域具有较好的发展前景。介绍了高光谱分辨率激光雷达探测气溶胶、大气温度以及风速的基本原理以及目前国内外的研究进展，并重点介绍了高光谱分辨率激光雷达系统中的鉴频技术、激光技术、锁频技术以及数据处理技术等几项关键技术。

基于稀疏和冗余表象的鬼成像雷达(Ghost Image via Sparsity Constraints，GISC Lidar)是一种结合光场空间涨落特性和现代信息论的全新雷达成像体制，其成像视场和分辨率无关，由此可在探测时采用大视场凝视成像模式捕捉运动目标以对其进行高分辨率成像探测。与闪光照相雷达需要将目标的反射光信号成像分布在焦平面阵列光电探测器件上相比，GISC雷达只需要一个无空间分辨能力的单像素探测器接收目标场景的全部反射光信号，因此可以极大地提升系统的成像探测灵敏度。此外，GISC雷达在成像探测过程中可以利用图像的各种先验约束，从而突破奈奎斯特采样定理对采样次数的要求，大幅度提高图像的信息获取效率。文中将结合上海光机所将鬼成像技术应用于雷达探测的研究历程，介绍GISC雷达研究进展，并指出GISC雷达工程化实际应用中仍待解决的若干问题。

激光雷达合作目标是激光交会对接雷达测量系统重要组成部分。针对激光交会对接雷达系统测量需求，首次采用远近场双合作目标设计方式，实现对激光信号原路返回，用于目标飞行器在远场时快速搜索捕获，近场时精确测量。对于远场合作目标采用了多维阵列构型，通过仿真分析，在有效视场90°×105°范围内最小有效反射面积不低于100 cm²，保证了对激光信号反射能力和目标捕获能力。所设计的激光雷达合作目标满足了激光交会对接雷达系统应用要求。

在非相干多普勒测风激光雷达系统中，激光的线宽与频率的稳定性是影响测量结果准确性的两个重要因素。研制的激光雷达系统采用种子注入方法产生窄线宽脉冲激光，采用碘分子饱和吸收稳频的方法，利用VB语言基于PID算法编写仪器控制程序，将种子激光器的频率锁定在碘分子吸收线1 109线的高波数边缘上，长时间(>4 h)锁频的精度≤0.5 MHz，频率的长期稳定度为3.55×10^-9。设计了连续光测速系统，得出多普勒频移测得的实验值与实际斩波盘的速度值曲线，速度误差小于0.4 m/s。由此也说明，所设计的连续光测速系统可以对整个锁频系统进行校准。该实验也为测风激光雷达的建设提供指导意义。

研究了基于奇相干叠加态的超分辨量子激光雷达方案。根据量子光学理论，分别推导了基于传统的强度差探测，量子信息中的投影测量和奇偶光子数分辨探测方式的输出信号的表达式并进行了分析和讨论。通过以上的分析和讨论，重点研究了奇偶光子数分辨探测方法。同时借助数值计算展示了基于奇相干态联合奇偶光子数分辨探测的超分辨率激光雷达的两种超分辨率特征，即窄峰型和多重窄峰型的干涉条纹。最后，从模型本身出发解释了多重窄峰型超分辨的物理机理。

合成孔径激光雷达是合成孔径技术在激光相干探测雷达领域的推广，相比传统合成孔径雷达具有更高的分辨率。由于传统线性调频模式受制于调频速率和非线性等因素，无法应用于高速运动平台。从合成孔径激光雷达原理出发，结合光通信调制手段，详细推导了强度编码合成孔径激光雷达编码压缩原理公式，并仿真验证了M序列应用于强度编码的压缩性能。通过对模糊函数推导与仿真，证明强度编码信号不存在多值性模糊和互耦合误差。搭建了基于光纤的强度编码距离向分辨率验证实验系统，选取长度1 023、码元宽度5 ns的M序列进行强度编码调制，利用2 000 m延时光纤进行了距离向验证。在考虑载波光幅值抖动的情况下，得到了0.787 5 m的距离向分辨率，精度误差5%。该文从理论与实验两方面证明强度编码合成孔径激光雷达的可行性，为工程实现提供了一定实践支撑。

提出了一种四Gm-APD单次探测的激光雷达系统，该系统采用2×2的光纤阵列同时接收回波脉冲，利用四通道实时比对得到目标的距离信息。计算了该系统探测概率、虚警概率和测距精度，并与传统单Gm-APD四次累积探测激光雷达系统进行相互比较。结果表明，四Gm-APD激光雷达系统不仅能够使探测速度提高到4倍，其探测性能也都明显优于单Gm-APD四次累积探测的激光雷达。探测概率从60.6%提高到了91.6%，虚警概率从1.9%下降到了0.2%，测距精度从1.771 m提高到了0.440 m。最后，分别对两个系统进行了64×64像素的距离像仿真，仿真结果验证了该方法的正确性。

根据线性调频信号的特点和光外差探测的原理，推导了具有高阶相位误差时线性调频信号经合成孔径激光雷达外差探测后的输出信号表达式。结合参考通道的系统结构和基于锐化函数的相位补偿算法，通过模拟仿真，对比分析了参考通道类型对单点目标成像的影响。通过研究锐化函数的物理含义，对锐化函数相位补偿算法进行了误差分析。指出了锐化函数相位补偿算法的适用范围，以及实现高质量的合成孔径激光雷达探测成像需进一步考虑的问题。

为了使空间目标红外成像仿真尽量反应实际在轨工作状态，文中综合考虑目标自发辐射、太阳光辐射、地球辐射和地球反照的影响，结合空间目标在轨单点经纬度姿态数据、材料数据、探测器数据等先验信息，提出了一种空间目标在轨红外成像仿真技术。首先，阐述了空间目标红外成像仿真的理论模型。然后，以某简单立方体卫星为例，进行了在轨红外成像建模与仿真。所提出的空间目标红外成像仿真方法对空间目标探测、识别与跟踪算法的研究具有重要意义。

在高温温度场重建过程中，仍然需要通过温度场的单点温度值来构建整个温度场的温度分布情况。以焊接温度场为例，通过反距离加权法、克里格法和样条函数法三种插值方法，分别对其空间变异和布局进行了分析和重建。结果表明：不同插值方法对预测精度影响不显著，而采样点数量则显著影响了温度场空间分布的重建精度。在温度场重建过程中，25个采样点进行重建是比较适宜的采样数量。将得出的结论与最佳采样公式进行比较，发现使用公式计算的最佳采样数量相对偏低，说明不考虑采样点实际的空间变异情况，仅使用最佳公式得到的采样数量进行温度场的重建会导致重建结果的不准确。

为推进红外上转换材料的远距离应用，以镱铒共掺硫氧化钇为例，研究红外上转换材料标靶的远距离探测与识别。采用改进的硫熔法合成制备在1.5 μm波长附近有较强吸收、在980 nm附近有较强辐射的镱铒共掺硫氧化钇材料，并将该材料涂覆在铝板表面制作900 mm×900 mm的标靶。考虑材料具有转换效率较低，激发荧光寿命长，从而对入射光脉冲具有毫秒级的显著展宽等特点，采用脉宽8 ns、单脉冲能量5 mJ 、波长为1 550 nm的激光脉冲激发，并采用BASLER相机(acA1300-60 gmNIR，截止波长1 000 nm)获取标靶图像进行探测，采用中心波长为980 nm的带通滤光片滤除环境光干扰，从而提高辨识度。通过帧差法等图像处理过程在所采集的标靶图像中提取激发光斑。分别在50 m、55 m、60 m、65 m、70 m和76 m距离上进行重复探测试验，测试结果表明：识别率可达98.3%。

基于积分方程理论建立了黑体腔的结构模型，分析了腔体长径比、孔径比、接收器到腔口的距离、腔体材料本身发射率等参数对腔体发射率的影响，提出了黑体腔优化参数设计，同时，应用有限元分析法分析了不同形状黑体腔腔体对接收器稳态温度、动态响应时间的影响。研究结果表明：黑体腔结构参数的改变直接影响黑体腔发射率、接收器稳态温度、动态响应时间，进而影响黑体腔性能，积分方程法和有限元法结合分析为黑体腔研究以及优化设计提供了新思路。

红外弱小目标的探测与跟踪对运算硬件和算法的性能提出较高的要求。针对传统背景预测算法串行运算耗时较长的问题，以及经典的通用GPU(Graphic Processing Unit)体积与功耗过大难于整合到红外设备中的问题，提出在嵌入式GPU平台NVIDIA Jetson TK1中实现并行分离卷积的方法，利用CUDA(Compute Unified Device Architecture)实时执行背景预测算法，实现了在嵌入式GPU平台上高效的红外背景预测算法。实验结果表明，在保证正确预测背景的前提下，利用小体积、低功耗的嵌入式GPU平台可以将运算性能提高到串行运算的15倍以上。

分析了DMD型红外场景模拟器相较电阻阵型在半实物仿真实验中没有广泛应用的原因。通过分析发现DMD型模拟器的数据传输带宽的大小和外同步触发延时长短对系统的实时性都有影响，并且指出图像接口的数据传输带宽高于有效带宽2倍时才能满足系统仿真的高实时性要求。设计了满足实时性要求的专用千兆网的硬件，具有极小的延时时间并且满足UDP/IP协议的数据传输软件和有利于DMD灰度显示高实时性的图像分割和存储的方法。实验验证了该方法能够传输100 Hz以上的分辨率为1 024×768的8位灰度图像，而外同步触发信号与系统播放开始信号延时仅为70 μs，并具有良好的稳定性。

提出了一种高精度、低功耗、小面积的电流型CMOS基准电压源以满足非制冷红外焦平面(IRFPA)读出电路对基准电压源模块的要求。设计中采用两种分别具有正负一阶温度系数的电阻，通过对基准电压源的高阶温度系数进行补偿，获得更好的温度系数TC（Temperature Coefficient）。通过使用共源共栅结构代替传统的运放，节约了传统运放和偏置电路的功耗，并且具有出色的电源电压抑制比PSRR(Power Supply Reject Ratio)。该设计使用标准0.18 μm CMOS工艺实现，工作电压3.3 V,-40~120 ℃温度范围内，输出基准电压温度系数约为3.7 ppm/℃，PSRR约为-78 dB@1 kHz，在25 ℃时消耗电流6.3 μA，消耗芯片面积仅230 μm×100 μm，所提出的电路是一种低功耗、节约面积的设计。

提出一种简单快速的红外图像显著目标检测算法，算法可以分为三步：首先，对原始红外图像进行预处理以增强目标与背景的对比度；然后，在log频谱中提取预处理后图像的频谱残差，通过相应的反变换及简单的阈值分割，可以得到显著目标的大致区域；最后，采用一个滑动窗口在目标候选区域内进行搜索确定显著目标的准确位置，这个过程采用由目标及其周围区域在原始图像中的灰度分布得到的半局部特征对比度的概率表达得到每个像素点的显著性值，进行阈值分割得到显著目标，改变滑动窗口的大小可以检测出不同尺度的目标。采用大量的红外图像对算法进行测试，实验结果表明该算法具有高效性和鲁棒性。

采用LD端面抽运Nd：YVO₄激光器，在声光Q开关重复频率为50 kHz、LD最大泵浦功率50 W时，获得输出功率26.37 W、脉冲宽度26.28 ns的1 064 nm激光输出。通过该系统抽运键合KTP外腔式光参量振荡器(OPO)，当LD泵浦电流24 A、对应1 064 nm泵浦功率7.36 W时，实现了重频50 kHz的2.174 μm脉冲激光输出，激光平均输出功率为324 mW，激光脉宽为17.8 ns。同时，通过实验分析了不同输出镜透过率和声光调Q激光重频对1.064 μm和2.1 μm激光输出功率、脉宽的影响。最后通过理论值与实验测量值的对比得出，两组数据基本吻合，且2.1 μm输出功率未出现饱和。

光整流法是目前产生太赫兹(THz)辐射的重要方法之一。建立了采用脉冲前沿倾斜方法实现相位匹配条件的基于光整流法产生太赫兹辐射的转换效率理论模型，比较了脉冲前沿倾斜方式的不同倾斜角对THz辐射转换效率的影响，定量分析了光整流THz辐射转换效率的主要影响因素及其规律，并讨论了飞秒激光参数和晶体参数对THz辐射转换效率的影响。结果表明：脉冲前沿倾斜方式相位匹配条件中的倾斜角对THz辐射转换效率的影响非常大；THz辐射转换效率随着飞秒激光脉宽的增大呈现先增大后减小的规律，且随飞秒激光强度的增大而增大。此外，THz辐射转换效率不仅随着晶体吸收系数的增大而急剧减小，而且随着晶体厚度的增加呈现先逐渐增长，到达一定晶体厚度后，则几乎不随晶体厚度的增长而变化的规律。由此可见，在实际应用中，不仅要求采取措施尽可能满足位相匹配条件和减小晶体对THz辐射的吸收，而且还需要合理选取飞秒激光参数和非线性晶体参数。

随着激光技术的快速发展，推扫相机的激光干扰问题倍受关注。推扫相机一般有较高的角分辨率，口径大焦距长造价高，若按照对等要求进行干扰实验研究，其技术难度大实验费用高。针对激光对推扫相机干扰效果评价的难题，从推扫相机成像原理和激光对推扫相机干扰机理入手，提出了一个推扫相机激光干扰等效缩比模型，并通过实验对该模型进行了验证。实验表明：在推扫相机F数不变的前提下，保持相同的入瞳激光功率和积分时间，激光对缩比相机与原相机具有相同的干扰效应，即在两相机像面上的激光干扰面积基本相同。该研究成果可应用于激光对推扫相机干扰效果评价和相机激光防护研究等方面。

光学参量过程是产生压缩光的关键环节，为了提高实验中光学参量振荡腔的稳定性，必须将激光与光学参量振荡腔进行模式匹配，并用锁定技术稳定光学参量振荡腔。理论分析了模式匹配效率对压缩度和偏频锁定技术精度的影响。经过模式匹配之后，在实验上实现了光学参量振荡腔的锁定，并对锁定后的光学参量振荡腔进行了稳定性测量。理论与实验结果表明：模式匹配效果越好，压缩光的压缩度和偏频技术的锁定精度越高；在较好的模式匹配条件下，光学参量振荡腔的腔长锁定精度为7.35 nm，稳定时间可达2 h以上，能够满足对压缩态光场的探测需要。

利用雪崩晶体管作为高速开关器件、根据并联充电、串联放电原理设计了一种串并联相结合的MARX电路，以该电路为基础设计了一种低抖动高压脉冲驱动源，并将其应用于紫外激光脉冲的电光开关削波系统。通过同步调节器调节高压驱动脉冲和激光电光系统的时间匹配度，获得了驱动电脉冲与电光开关耦合的最佳工作状态；对匹配过程中的电光开关工作状态以及激光脉冲压缩过程进行了分析和研究，当高压驱动电脉冲幅度为2 690 V，脉宽为7.9 ns时，可以将脉宽为7.1 ns的紫外激光脉冲压缩至2.1 ns，KDP晶体的透光率达到了92.2%，电光开关的效率达到了31.7％。

利用自行研制的电磁搅拌装置辅助钛合金激光沉积修复，通过有限元软件ANSYS进行数值模拟，并与试验相结合，研究了钛合金激光熔池内“磁-电-力”的相互作用关系。结果表明，在旋转磁场的作用下，激光熔池内的液体表面磁感应强度与激励电流成正比，与频率成反比；激光熔池受到径向力和切向力的作用，但是前者较小，可以忽略不计，液体横截面上电磁力密度最大值与激励电流成正比。在旋转磁场的作用下激光沉积修复件表面两侧凸起且修复层内部组织α/β片层长径比减小。

建立了激光选区熔化(SLM)加工的多层瞬态热有限元模型，该模型考虑了随温度变化的材料属性，并通过将粉末材料的热物理属性转换为实体材料的热物理属性来模拟粉末-实体的转换过程，有限元分析结果与单熔道实验结果吻合，验证了该模型的有效性。研究了扫描速度(0.2 m/s，0.4 m/s，0.6 m/s)和激光功率(80 W，100 W，120 W)对温度场的影响，并研究了相邻层之间的铺粉过程的冷却效应。结果显示，当扫描速度越大时，温度峰值点相较激光光斑中心越偏后，温度峰值和温度梯度随着激光功率的增大或者扫描速度的减小而增大，该研究为SLM加工工艺参数的选择提供了理论依据。

依据大量程红外脉冲式激光测距仪测距性能的检测需求，提出了一种基于MODTRAN数据库的激光回波信号模拟的检测方法。在室内环境下模拟激光测距大气回波信号，以实现对测距仪的测距精度及最大测程两项指标的检测。该方法调用MODRAN数据库计算出GJB2241A中仲裁实验的大气辐射透过率，在此基础上建立回波功率的数学模型，并采用FPGA以及模拟延时器件实现预设延时，使得距离模拟与能量模拟自成回路，实现了测距回波的真实模拟。实验结果表明：设计的回波信号模拟系统可实现50 m~22 km的大量程距离模拟，回波延时精度优于2 ns，最大测程的测准率可达90%，满足了激光测距仪性能测试的检测需求。

连续波发生器的SPASER(Surface Plasmon Amplification by Stimulated Emission of Radiation)相当于净放大等于零，不能作为放大器使用，文中采用改进的MIM波导结构实现SPASER作为放大器可能性。利用汉密尔顿函数的理论模型得到了放大器激射条件，数值计算表明：采用改进的MIM波导结构实现解决SPASER的内反馈问题和消除SP的净增益问题是可行的；改进结构在不到100 fs的时间里实现了SP激子数的稳定水平；改进SPASER放大器响应时间为100 fs，带宽为1.5~2 THz，SP的放大增益在30~60 dB范围。上述研究成果将为大规模集成光子学芯片设计提供了理论和技术基础。

传统的自由曲面透镜建模通常需要多个软件共同协作完成，其建模过程繁琐，且由于不同软件之间的不兼容会导致模型在导入光学仿真软件时出现微小形变。提出一种在光学仿真软件中利用Scheme语言直接进行快速建模的LED自由曲面透镜建模方法。根据光源辐射特性和需要实现的照明面上的能量分布，采用划分网格法,利用Snell方程和能量守恒定律, 沿经纬方向分别迭代求解, 在得到自由曲面各节点坐标后，分别采用3D建模软件和Scheme语言编程构建透镜模型。通过光学仿真软件，模拟计算了100万条光线，直径1mm的光源在距离地面10 m、面积为40 m×10 m的照明区域内的照度分布。结果表明：利用Scheme语言在光学仿真软件中直接快速建模避免了模型从3D软件导入光学仿真软件时产生的微小形变从而使光照均匀度由67%提升到93.5%。同时Scheme语言编程建模仅需5 s，建模速度远高于3D建模软件。

为了解决普通二维光栅在动态干涉术中光能量利用不足的问题，使用标量衍射理论和傅里叶分析法对矩形正交位相光栅和棋盘型位相光栅的衍射效率进行推导,分别对两种光栅的最佳工作级次选择策略进行研究。分析结果表明，当分光器件为矩形正交位相光栅时,应选择(0, ±1)级与(±1，0)级作为动态干涉仪的工作级次，光能量利用率达到54.4%；当分光器件为棋盘位相光栅时，应选择(±1，±1)级作为动态干涉仪的工作级次，光能量利用率达到65%。实验对比了两种光栅在动态干涉仪上的应用效果，当选用(±1，±1)级作为工作级次时，结果表明使用棋盘型位相光栅的应用效果优于矩形正交位相光栅。因此在动态干涉仪中使用棋盘位相光栅并选用(±1，±1)级作为工作级次能够消除光能量利用不足对测量造成的影响。

为了无需定制补偿透镜或者计算全息等就能实现对非球面光学元件的检测，提出了非零位补偿测试非球面的方法。对非零位补偿检验非球面中的部分补偿法、数字样板法和子孔径拼接法的基本原理和基础理论分别进行了分析和研究，建立了合理的数学模型，并对其具体的实现步骤和测试流程进行了分析和规划。结合工程实例，分别利用数字样板法和子孔径拼接法对一口径为350 mm的浅度非球面进行了面形检测，两种方法面形的PV值和RMS值的偏差分别为0.015λ和0.002λ（λ=632.8 nm），并设计和组建了部分补偿检验装置对一高精度凸双曲非球面反射镜进行了测量，其面形的PV值和RMS值分别为0.183λ和0.018λ。

随着LED光源技术及应用的发展，其在汽车照明市场中所占的份额也逐年增大。目前，市场上大多采用多个模组LED光源及其分别的结构设计汽车近光灯和远光灯，再由这些汽车LED近光灯和远光灯组合成不同车型的汽车LED前照灯，这种方法设计的汽车前照灯体积大、功耗大、成本高、适用车型少。提出了一种以单模组LED光源的一体式汽车前照灯系统的光学设计方法，使用一个LED光源模组和一组反射器的组合来满足远光和近光的照明的要求，仅仅通过光阑板的切换来达到近光和远光照明的目的，重点通过光学仿真软件模拟仿真的方式，通过对比研究不同光学结构设计方式来确定最后的设计方案。最终给出了一个效率较高、体积较小、应用范围广泛、照明效果好、适用于多种车型的一体式汽车前照灯的设计方法。

针对现有的静态斜楔干涉具无法实现零光程差，并且对被测光的空间相干性要求较高，进而影响光谱反演的准确性和复杂性问题，提出了一种新型等效斜楔干涉具，该等效斜楔由两种折射率不同的材料构成，两个反射面完全垂直，干涉的两束光是由同一束光分开而得，因此对光的空间相干性无太高要求，并且可以实现零光程差。理论推导了该斜楔不同位置的光程差公式和光谱反演公式，并且设计了该等效斜楔，其最大光程差可达168.3 μm，对光谱测量过程进行了仿真分析，结合最大光程差和所测光谱波段分析了线阵CCD的像元数要求。采用532 nm单纵模激光器和632.8 nm氦氖激光器进行了实验分析，实验结果得到中心波长误差小于0.2%。

大气湍流一直是限制空间激光通信的主要因素。提出了一种模拟大气湍流效应的新方法，在接收端用一对相关的幅度屏与相位屏来模拟大气湍流效应。针对星到地的激光通信，论文先将二重积分形式的幅度自相关、相位自相关以及幅度-相位互相关函数简化为一重积分的形式；然后根据这三种相关函数，基于协方差随机屏模拟方法同时产生一对相关的随机幅度屏与相位屏；并比较了模拟屏的结构函数与理论结构函数的符合度。该方法可有效模拟湍流内、外尺度对湍流效应的影响。

基于广义惠更斯-菲涅耳原理、交叉谱密度函数，利用修正Von Karmon谱模型以及ITU-R颁布的大气折射率结构常数模型，推导出部分相干高斯-谢尔光束在大气湍流中传输时的束宽及角扩展表达式，讨论并对比斜程和水平两种传输方式下天顶角、传输距离、湍流强度、相干长度等参数对光束束宽与角扩展的影响，同时分别从相对束宽和相对角扩展的角度分析各种参数对于光束抑制湍流能力的影响，并给予相应的物理解释。结果表明：当天顶角小于π/3时，光束在斜程传输时的光束扩展和角扩展量接近于垂直传输，所受湍流影响很小。传输距离大于1 km时，束宽和相对束宽随传输距离的增加而明显增加。光束相干长度越大，光束所受湍流影响越大，而束宽及角扩展会随之减小。

研究了考虑多次散射的卷云几何特征和光学特性反演方法，对反演卷云高度和卷云激光雷达比的方法进行了改进。采用多次散射因子对卷云消光系数曲线进行修正，选取云底及云顶附近高度消光系数变化率的均值求解云层高度修正误差，对微分零交叉法求解得到的卷云高度进行修正，实现了较为精确的激光雷达云层高度反演。采用以边界值处消光系数和卷云光学厚度为约束条件的粒子群算法，求解卷云有效激光雷达比，选用半解析Monte Carlo方法，计算总散射信号与一次散射信号的比值，并结合Platt多次散射因子方程求得多次散射因子，实现了卷云激光雷达比的准确求解。使用Mie散射激光雷达真实回波信号进行了验证。结果表明，该改进方法具有较高的精度，更具应用价值。

联合激光雷达和毫米波雷达对卷云观测可以得到更全面的卷云特性信息，是卷云观测的一种发展趋势。使用美国大气辐射观测(Atmospheric Radiation Measurement，ARM)计划中卷云观测数据，将激光雷达和毫米波雷达反演的云边界信息相结合，得到更为准确的卷云边界信息。提出卷云微物理特性的激光雷达和毫米波雷达联合反演算法，该联合反演算法能在激光雷达不能穿透或毫米波不能识别卷云的情况下，反演出整个卷云的冰水含量、光学厚度。使用联合反演算法对一次卷云过程进行反演，其中激光不能穿透的区域冰水路径含量反演精度提高24%，毫米波雷达无法识别的区域冰水路径含量反演精度提高48%。在正确反演冰水含量的基础上，利用冰水含量、粒径分布与光学厚度的关系得到卷云过程的光学厚度，克服了由于卷云对激光雷达强衰减导致的光学厚度观测的困难。

光波导光学相控阵器件端面的平整性对其输出特性有很大影响。基于光场相干叠加原理，建立了非平整端面下光波导光学相控阵的远场光场分布模型，给出了远场光场分布的一般公式，分析了非平整端面如何影响输出面上光场的相位以及输出面相位的变化如何影响远场光场分布。利用该模型计算和分析了倾斜平面、凹面、单层凹陷以及随机起伏面这几种特殊非平整端面下光波导光学相控阵输出光强分布的特点。研究结果表明：当光波导光学相控阵的端面非平整时，会不同程度地改变远场主瓣的位置和强度，影响光束扫描精度和功率。

采用基于密度泛函理论（DFT）框架下广义梯度近似投影缀加平面波方法，在六方结构GaN结构优化的基础上，计算了GaN(0001)A面吸附Cs后功函数变化，指出吸附系统表面形成了一个有效的GaN－Cs电偶极子层，降低了原本的GaN表面势垒，形成更加有利于电子逸出的外光电发射效应特性。接着图示吸附Cs、O后的电子结构，指出吸附原子和衬底之间的键合。六方结构GaN材料的光学性质通过Kramers-Kronig 关系得出。根据GaN的介电函数谱，得出了254nm光波长下以GaN为激活层材料的反射式光电阴极在不同少子扩散长度下的内量子效率。计算结果表明六方结构GaN(0001)A面是可见光盲光电阴极的优良发射表面，且254 nm处的量子效率可达到60％,远大于碱金属卤化物紫外光电阴极。

首先对Au纳米颗粒进行巯基修饰，再对其采用表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)进行二级修饰，并将其自组装负载于石墨烯纳米毯(GNSs)上。通过紫外-可见吸收光谱证明Au纳米颗粒在石墨烯纳米毯(GNSs)上的成功负载。通过透射电子显微镜探明其微观结构，表明Au纳米颗粒在石墨烯纳米毯上呈现局部规整排列，其原因与石墨烯纳米毯自身的平整结构有关。采用开孔Z-扫描技术研究了负载Au纳米颗粒的石墨烯纳米毯的非线性光限幅性能，结果表明：其光限幅起始阈值明显下降，在低入射能量时即产生光限幅特性。并发现入射光强增大时非线性散射增强，说明非线性散射是产生复合体系的非线性光限幅效应的重要机理。

在加热的BK7基板上，采用电子束蒸发(EB)工艺制备了一系列不同厚度的HfO ₂单层膜，对HfO ₂薄膜生长过程中的折射率非均质性进行了研究。光谱分析表明薄膜非均质性与其厚度息息相关。X射线衍射(XRD)测试表明不同非均质性薄膜对应不同的微观结构；薄膜的微观结构主要由薄膜的生长机制决定。当膜厚较薄时，薄膜不易结晶，呈无定形态，此时薄膜呈正非均质性。如果沉积温度足够高，则薄膜达到一定厚度后开始结晶，此后薄膜折射率就会逐渐下降。随着薄膜继续生长，薄膜晶态结构保持恒定不再变化，非均质性也会因此保持不变达到极值。

为了定量研究面阵电荷耦合器件(CCD)错位成像技术图像质量的提高以及CCD像元填充因子对图像质量的影响，建立了仿真不同像元填充因子的面阵CCD错位成像的数学模型。以Matlab为平台，不考虑噪声的干扰，对ISO12233标准分辨率测试卡子图像进行了仿真，结果表明，CCD像元填充因子为100%时，与普通成像模式相比，对角错位、四点错位成像模式图像的灰度平均梯度分别提高了2.9970、3.4136，拉普拉斯能量分别提高了0.5676、0.7478，且CCD像元填充因子为其他值时，相较于普通成像模式，对角错位、四点错位成像模式图像的GMG和EOL均得到提高；采用四点错位成像模式时，与填充因子为100%的面阵CCD相比，填充因子为69%、44%、25%的面阵CCD四点错位模式图像的灰度平均梯度分别提高了1.433 0、3.337 3、5.153 2，拉普拉斯能量分别提高了0.638 0、1.704 4、3.196 8，且采用其他成像模式时，填充因子为100%、69%、44%、25%的图像的GMG和EOL均不断提高。研究表明，面阵CCD错位成像技术能够提高图像质量，且四点错位成像模式图像质量优于对角错位成像模式；在满足信噪比指标要求的前提下，对于面阵CCD同一成像模式，像元填充因子越小，图像质量越高。

在电化学腐蚀硅微通道这一工艺过程中，温度是其中一个很重要的影响因素。通过研究温度对电化学腐蚀硅微通道过程中空穴输运的影响，加深对电化学腐蚀硅微通道这一过程的认识。利用电化学光照辅助阳极氧化法以n型（100）晶向单晶硅为研究对象，设计实验，得到硅微通道阵列在不同温度条件下的I-V特性扫描曲线、孔道的形貌以及孔道的深度；根据晶体中的散射机制的相关原理，研究了温度与载流子迁移率和扩散系数之间的关系；根据实验，得到了暗电流与温度的关系。最后通过对上述实验结果的分析，得出温度越低由空穴输运产生的空穴电流密度就越低，同时暗电流的值也越低，在较低温度下通过电化学腐蚀法制备的硅微通道结构形貌较好。

随着卫星激光通信技术的发展，激光链路中继卫星系统将成为未来天基信息系统的骨干网。首先设计了一种“2颗国土星+2颗境外星”的网络架构，然后借助地面程控交换技术分析方法，定义了光网络性能指标，最后仿真了激光链路中继卫星系统的网络性能。仿真结果表明，当每颗用户卫星通信业务量为0.2 Erl、接入损失概率要求不大于0.2、链路利用率不小于0.6的情况下，激光链路中继卫星系统的12条接入链路可以支持50颗用户卫星接入。

室内可见光通信是一种利用室内照明白光LED灯来实现高速通信的新兴技术。当接收器在室内角落时较大的接收角限制了光电探测器的接收功率，从而降低了系统信噪比。为了实现接收器在室内各个位置处均能获得最大功率，提出了包含非视距链路情况下(墙壁一次反射)倾斜探测器接收面的设计方法，即在考虑视距链路(直射)的同时，还考虑了墙壁一次反射非视距链路下倾斜接收器的倾角设计。在室内各个位置处的最优倾斜角度可以通过牛顿算法得到，该快速算法的迭代次数仅为3~4次。仿真结果表明，倾斜接收器后系统最小信噪比提高大约5 dB，最大信噪比和平均信噪比均提高大约2 dB。尤其对改善室内角落处的信噪比最为显著。

在入射光瞳面处针对星地激光链路中空间光至单模光纤耦合效率补偿特性进行了研究，依据星地下行链路特点，对星地下行链路光纤耦合效率模型进行分析。在此基础上，利用基于单模光纤后向传输模场为加权函数的加权孔径正交多项式，建立光纤耦合接收系统波前相位模式补偿理论模型，运用该理论模型，通过数值模拟对波前相位进行模式补偿，给出波前相位模式补偿下平均光纤耦合效率与接收孔径尺寸和相位补偿项数的变化关系，以及典型接收孔径下采取一定项数的波前相位补偿后光纤耦合效率概率分布，为基于光纤耦合接收方式的星地激光通信链路波前补偿系统设计提供一定理论参考。

以全矢量波动方程理论为基础精确地推导出HOF中矢量模式的色散关系表达式，电场分量Hz和Ez在空心、纤芯以及包层区域的表达式；并推导出模式的传播常数以及导模的横向电场的表达式；在此基础上，重点分析研究了改变空心光纤的主要参数对模式特性产生的影响，包括：有效折射率与波长、空心半径、纤芯厚度之间的关系以及包层数量的变化对模式特性的影响规律，为进一步研究和扩展空心光纤的应用提供了依据。

针对φ-OTDR振动传感系统中的相位模糊问题，推导了背向瑞利散射光功率与干涉光场相位差、干涉光场相位差与光纤应变的关系式，分析了相位模糊现象的发生原因及表现形式，研究了相位模糊对传感系统性能的影响及系统最大可检测应变与空间分辨率的关系，并进行了仿真验证。结果表明：相位模糊是限制系统应变测量范围的主要因素，它会引起振动频率的误判和振动幅度的测量错误，还可能导致大应变信息的漏报；系统空间分辨率越高，应变测量范围越大，说明φ-OTDR振动传感系统适用于高空间分辨率振动的测量。研究结果为φ-OTDR振动传感系统参数设计和系统优化提供了理论参考。

针对传统机器人视觉测量系统中测量精度受机器人绝对定位精度限制的问题，构建了基于全局空间控制的高精度柔性视觉测量系统并研究其标定技术。通过全局空间测量定位系统实现机器人末端工具的高精度实时控制，可以突破机器人自身定位精度的限制，充分发挥其高度柔性的运动特性。为实现系统高精度测量，提出一种基于单应性矩阵的视觉传感器外参标定方法，该方法仅需对所设计的平面靶标进行一次成像，结合激光跟踪仪进行坐标转换即可实现传感器坐标系与外部参考坐标系之间坐标转换关系的精确标定。实验结果表明，基于全局空间控制的机器人视觉测量系统在其工作空间中距离测量精度优于0.2/mm，较传统的机器人视觉测量系统得到显著提高。

传统哈特曼-夏克传感器主要受微透镜尺寸与微透镜数量的限制，对待测波前采样不足，影响对波前的探测精度。通过对哈特曼-夏克传感器波前重构原理和双光楔微扫描原理进行分析讨论，提出了一种在哈特曼-夏克传感器之前加入双光楔微扫描结构的检测方法，弥补了传统哈特曼-夏克传感器对待测波前采样不足的缺点。利用Zemax和Lighttools软件模拟了加入双光楔微扫描结构哈特曼-夏克传感器的光斑分布情况。微扫描图像重建算法与波前重构算法结合给出原理性验证，对所模拟后大像差光学系统波前复原精度提高了53.53%，该方法可以有效提高哈特曼-夏克传感器对波前探测的精度。

为解决扩展卡尔曼滤波在处理复杂非线性状态估计时，存在收敛速度慢、估计精度低及数值稳定性差等问题，引入一种改进的平方根容积卡尔曼滤波算法(A-SRCKF)。该算法在容积卡尔曼滤波基础上引入矩阵QR分解、Cholesky分解因数更新等技术，避免了矩阵分解、求逆及求导等复杂运算，极大降低了计算复杂度；并针对系统时变及统计特性未知情况下量测噪声协方差阵难以获取问题，通过引入自适应噪声估计器并结合小波卡尔曼滤波思想，构造出加权量测噪声协方差阵，提高了数值精度及稳定性。将A-SRCKF应用于机载定姿定位系统中，仿真结果表明：该算法有效地提升了估计精度，并且运行速度较快。

提出了一种基于模板匹配的亚像素处理方法，可以精确计算出在大口径长焦距测量过程中出现的莫尔条纹的角度。基于泰伯效应和莫尔条纹干涉的长焦距测量方法是一种高精度的焦距测量方法。理论分析表明：这种测量方法的精度很大程度上依赖于莫尔条纹角度的精度。之前是通过迭代算法在亚像素域中寻找莫尔条纹频谱的最大值点来计算莫尔条纹的角度。然而实验过程中得到的莫尔条纹往往会出现不同程度的弯曲和畸形，这会大大影响这种方法的测量精度。从改进测算角度算法这个角度出发，针对傅里叶变换后的频谱图，基于模板匹配的思想，对各种莫尔条纹进行二维正态分布拟合，找出频谱点精确坐标，从而精确测量莫尔条纹角度。理论分析和软件仿真表明：这种方法具有高精度、高稳定等优点，能有效提高长焦距的测量精度。

针对大尺寸平面零件尺寸测量系统标定精度不高的问题，提出了一种基于深度信息的系统标定方法。首先利用圆形平面靶标，提出一种提取靶标图像特征点的新方法，采用自适应阈值的边缘检测和多项式拟合算法提取特征点亚像素轮廓，利用椭圆拟合得到中心坐标；然后根据带有畸变的非线性成像几何模型，采用最小二乘法计算摄像机参数的最优解，获得靶标的位姿；最后提出被测物表面与靶标平面之间的深度信息作为摄像机模型修正项，校正测量平面位姿，利用成像原理和直线与零件表面交点确定零件尺寸。设计了单目视觉尺寸测量系统并进行实验，结果表明：标定反投影误差小于0.02 pixel，在1×0.75 m²的视场内，系统测量精度达到了0.05 mm。

反演算法的速度、精度及稳定性一直是颗粒测量领域中的研究重点。针对传统的Chahine迭代算法在反演过程中出现毛刺、伪峰及震荡等不稳定现象，将正则化理论与Chahine迭代算法相结合的改进算法用于颗粒粒径分布的重建。通过引入正则化理论建立新的线性方程，采用L曲线法确定正则化参数，再利用Chahine迭代算法求解该线性方程。仿真及实验结果表明：改进的算法解决了Chahine迭代算法的缺点，提高了反演结果的稳定性和平滑性。利用改进的算法实现国家标准颗粒的测量，其迭代15 000次所得中值粒径D50的相对误差在2%以内，用于描述分布曲线展宽的D10、D90的相对误差均在5%以内，且反演时间小于1 min，可满足颗粒粒径在线测量的需求。

作为一种新型紫外可见线阵图像传感器，紫外可见NMOS已经应用于国外的空间遥感探测中，但是目前在国内相关研究甚少。在紫外可见波段针对NMOS的重要光电性能参量——量子效率进行了定标研究，为NMOS线阵图像传感器在紫外空间遥感探测的应用奠定了基础。基于美国标准技术研究院(NIST)标定的标准探测器，构建了一套NMOS量子效率高精度定标系统。在250~700 nm波段范围内，通过直接标定NMOS入射窗口处接收到的光子数，结合NMOS信号处理及读出单元得到NMOS的响应电子数，标定其量子效率。结果表明NMOS线阵图像传感器的量子效率在紫外波段达到34%@275 nm，在可见波段达到80%@550 nm。通过不确定度分析，量子效率的测量不确定度为2.5%。

提出了一种描述图像像素和相位关系的分段函数，可以生成分段非均匀条纹，解决光栅测量系统倾斜投影时参考平面上条纹周期不均匀的问题。在利用双频解相位方法进行相位展开时，提出了一种条纹移动法，即将一种频率的条纹向右或向左移动π的整数倍，消除了投影双频分段非均匀条纹时得到相位展开结果的不连续性。对比其他非均匀条纹生成方法，分段非均匀条纹生成方法简单易行；双频分段非均匀条纹经过条纹移动后能够适用于双频解相位。对拱桥投影均匀条纹和分段非均匀条纹进行对比实验证明，投影分段非均匀条纹时测量精度得到了明显提高。

研究了捷联导引头引起的隔离度问题，建立了捷联导引头延时造成的寄生回路模型，分析了捷联导引头延时引起隔离的机理，得到了捷联导引头延时引起的隔离度函数。研究了导引头延时造成寄生回路的稳定性，在制导参数取不同值情况下，绘制捷联导引头延时引起的寄生回路稳定区域。仿真结果表明：制导系统延迟环节动力学时间常数相对于弹体动力学时间常数越大，对系统克服导引头延时的影响越有利。减小弹体气动力时间常数，可以增强系统容忍导引头延时时间的能力。研究成果对于实现捷联导引头的工程应用具有重大意义。

光学玻璃是光电技术产业的基础和重要组成部分,其色散系数是反应其性能的重要常数。利用CCD成像与机器视觉自动对准技术，在考虑了空气折射率对色散系数测量精度影响的基础上，对传统的色散系数测量公式重新进行了数学建模。多波段小型平行光管设计过程中，在校正了与孔径有关像差的基础上，对像差有特征意义的子午面内的光线光路进行了计算，求出了理想像与实际像的位置相差，实现了波段小型平行光管对无穷远目标的模拟。最后，综合运用了多波段小型平行光管设计技术、自动成像技术、光栅角位移测量技术，设计了图像自动对准式色散系数测量系统并实现了高精度测量。利用已知色散系数的光学玻璃对该测量系统进行了标定，通过精度分析可知，测试结果与标准值绝对误差不超过±2.309 3×10^-6。