针对光电跟踪仪伺服系统设计所关心的视频处理系统的频域特性参数，在频域内分析了视频处理系统的理论模型，并设计了一种频域测试方法，借助于光电跟踪仪伺服系统速度环路，通过在频域扫频的方式，利用信号之间相位、幅值对比间接测量了视频处理系统的时间滞后和带宽，以50 Hz视频处理系统为例，所测带宽为19.452 Hz，时间滞后为40.57 ms。

针对光电经纬仪室内检测作用距离问题，提出光电经纬仪作用距离指标的室内检测模型。从对目标进行跟踪捕获的实际工作过程中的4个边界点出发，检测光电经纬仪的目标对比度指标，并在此基础上结合天气条件参数对作用距离进行估算。由实验结果可知，该光电经纬仪目标对比度范围为5%~13%；在北纬45°，7月，白天的无云无雨天气条件下，作用距离为30.105 km，与实际外场跟飞结果相比，误差约为1 km。该方法适用于跟踪天空背景下的目标时的作用距离估算。

针对多镜头目标跟踪系统协同性差及单镜头系统目标跟踪观测过程中视场小、无法实现宽视场跟踪的现状，设计了能同时实现宽视场跟踪窄视场局部目标检测的协同跟踪系统。该系统基于数字微镜阵列高反射率、高性能视场分割的特点。验证实验中，宽窄视场分割系统实现了50 ms的协同成像周期；窄视场像中心调整系统不超过2%的绝对位置误差，为局部目标光束中心难以与窄视场成像系统视轴重合问题的解决提供了实验依据。

为了增大水下光电成像探测系统的探测距离，降低系统造价成本，对距离选通技术中存在问题进行分析研究，提出降低激光单脉冲能量，提升系统运行频率，增加CCD曝光时间的方法。利用噪声随机特性及目标回波的相关特性进行多脉冲累计提高探测距离。对距离选通系统进行适应性改进，并在室内水池进行实验。实验结果表明：此方法可有效增大系统探测距离，且目标图像质量与激光脉冲数量存在一定最优匹配关系，实验中10次脉冲累计获取到29 m距离处的目标图像质量最佳。

通过对传统双波段目标模拟器的工作原理进行分析，针对其结构复杂以及生产成本较大的问题，提出一种只使用一套景象生成器和投影系统的双波段目标模拟器设计方案。利用分振幅的方法，通过滤光片和遮光片的遮挡滤光作用使2个波段的能量按特定的比例透过，在特定的积分时间下，探测器探测到2个波段的能量比不同，以此模拟不同红外目标。对设计方案中的投影系统进行光学设计，光学系统属于透射式，工作波段在3.3 μm~3.8 μm和4.4 μm~4.8 μm，F数为3.2，半视场角为1.1°，系统分辨率达到10 lp/mm，对300 K~3 000 K的黑体、灰体或选择体均可实现红外目标的模拟，同时模拟器产生的辐射能量也大于探测器探测到的最小能量，设计方案可行。

大相对孔径变焦系统在像差补偿自由度较少的光学补偿式变焦系统中，通常需采用较多的镜片才能完成像差校正，导致系统体积和质量不甚理想。通过合理分配变焦参数，优化变焦系统结构，并进行非球面与衍射面复合叠加设计，完成了一个仅含8片透镜的光学补偿式变焦系统。相对孔径1∶1.8，采用320像素×240像素制冷焦平面探测器，工作波段3 μm ~5 μm，变倍比为5×，实现了30 mm/60 mm/90 mm/150 mm四档变焦，冷光阑效率100％。折叠光路后，体积约为210 mm×100 mm×85 mm，结构紧凑，以较少的镜片数辅以机械结构的光学补偿变焦方式有效减轻了整机质量。

为了实现大面积矩形均匀光斑，提出一种基于双排复眼透镜的设计方案。使用TracePro软件对该照明系统方案的效果进行建模仿真，分析了复眼透镜组的间距、后工作距离等参数对光斑面积和均匀性的影响。结果表明，复眼透镜间距越小、后工作距离越大，得到的光斑面积越大；而当间距控制在微透镜焦距附近时，光斑均匀性最佳。利用该设计方案，可在1 m的后工作距离得到尺寸350 mm×200 mm的光斑，光斑中心280 mm×160 mm范围内光照度均匀性＞0.85，该部分面积超过光斑整体面积的60%。该匀光方案有望在医用光疗、路灯照明等大面积均匀光照明领域得到广泛应用。

为适应昼夜侦查、探测目标的需要，设计了可见与近红外双波段光纤内窥镜物镜。在分析其基本原理的基础上，采用反远距形式的像方远心光路结构作为初始结构，通过Zemax软件进行优化设计，给出了一个工作波长0.486 μm～0.656 μm/0.7 μm～1.1 μm,焦距1.21 mm/1.22 mm，F数为4，视场角为80°，光学长度为8.45 mm/8.47 mm的设计实例。传像束单丝直径16 μm，并按正方形排列，据此要求在31 lp/mm处评价像质。设计结果表明，系统满足像方远心光路要求，轴上和轴外像面照度均匀，该镜头可见光部分在31 lp/mm空间截止频率处MTF值超过0.81，近红外部分在31 lp/mm空间截止频率处MTF值超过0.80。该双波段内窥镜的设计在实现已有内窥镜功能的同时，又提升了探测范围和信息量，能够实现全天候的检测与侦查。

为了提高长波量子阱红外探测器的灵敏度及探测率，采用表面等离激元效应来提高量子阱红外探测器中二维光栅的耦合效率。利用三维时域有限差分算法，分析表面等离激元作用下，长波量子阱红外探测器中二维金属薄膜光栅参数对入射光的调制作用。计算结果表明，对于8 μm的入射光，当光栅周期P=2.8 μm，孔直径D=1.4 μm，光栅层厚度L=0.04 μm时，X-Y平面内Z方向电场值最大，光栅的耦合效率最高。

为现场测量大型透明件的透光率和雾度，提出了基于双积分球结构的测量和系统参数标定方案，并设计研制了相应的透光率和雾度测量装置。该装置通过六维机械调整装置完成光路调整，基于LED光源的照明准直系统产生调制平行光，最后采用双积分球结构的探测接收装置并结合锁相放大技术，实现光电信号的解调。测试结果表明，该装置对透光率测量的绝对误差不超过1%，对雾度测量的绝对误差不超过0.3%，符合工程应用对系统测量精度提出的要求。另一方面，装置具有很好的重复性，其对透光率和雾度测量的相对标准差分别为0.06 %和0.05%。

设计一种能同时进行两维测量的、智能化的数显式自准直仪，该光学仪器可用来进行小角度测量。系统设计波长为670 nm，为了达到1 m的焦距，同时也缩小系统的体积，自准直仪采用折返式结构。系统中使用位置敏感探测器(PSD)作为接收器，仪器的指标满足设计要求：测量范围为±6′，精度为0.1″。通过Zemax仿真对自准直仪主光路进行设计及优化，出射为平行光束，由足迹图观测被测面接收到的光分布均匀，能够满足实际生产中的需要。

大规模图像集合的自动分组，不仅可以帮助用户快速组织和掌握图像集合的内容，并且是基于图像的三维场景重建应用的前提和重要环节。提出一种基于词袋模型(bag-of-words, BOW)的层次化分组算法，将每幅图像表示为一个超高维视词向量，利用多路量化技术将内容相似的图像量化到同一个节点，从而完成对图像粗略分组。然后，在每组类别里面，对图像的局部特征向量进行逐一匹配，并利用仿射空间不变量的约束条件，去除不可靠特征匹配，得到更为准确可靠的图像相似度度量，从而完成图像的精细分组。实验结果表明：从得到的系统不同阶段图像分组的查准率-查全率(precision-recall)曲线可以看出，精细分组过程可以显著提高粗分组精度，并且在精细分组阶段，使用约束条件比不使用约束还能获得更高的分组精度

为了实现分辨率高的大规模热释电IRFPA探测器，设计了多路通道并行输出的读出电路。针对多路输出的热释电IRFPA探测器，依据热释电探测的时序要求，设计了图像拼接采集系统。利用外部驱动信号控制采集卡的触发及采样时钟，由斩波器同步信号判断热释电探测器的亮场及暗场信号。构造PC-DAQ虚拟仪器系统对多通道输出的热释电型IRFPA进行多路并行图像采集，并对每路图像信号进行亮、暗场判断后进行差分处理，通过软件拼接处理成一副完整的图像，最终在软件平台上显示。对实验室研制的160列×120行双通道读出及320列×120行四通道读出的热释电读出电路进行了图像采集实验，对于同样阵列大小的单通道读出探测器，双通道结构读出速度提高了1倍，四通道结构读出速度提高了3倍。通过采集成像实验验证了系统的可行性。

物体的三维重建技术一直是计算机视觉领域研究的热点问题，提出一种利用Kinect传感器获取的深度图像实现多幅深度图像融合完成物体三维重建的方法。在图像空间中对深度图像进行三角化，然后在尺度空间中融合所有三角化的深度图像构建分层有向距离场(hierarchical signed distance field)，对距离场中所有的体素应用整体Delaunay三角剖分算法产生一个涵盖所有体素的凸包，并利用Marching Tetrahedra算法构造等值面，完成物体表面重建。实验结果表明，该方法利用Kinect传感器采集的不同方向37幅分辨率为640×480的深度图像完成目标物体的三维重建，仅需要48 s，并且得到非常精细的重建效果。

对于实际拍摄的一些图像信噪比低，噪声密度大，且含有混合噪声，而现有算法大多只能去除单一噪声的问题。针对混合噪声中含有的脉冲噪声和高斯噪声，提出基于改进中值滤波和提升小波变换去噪相结合的方法。去噪过程中，使用中值滤波器提取脉冲噪声并采用中值滤波算法滤波后，构造提升小波，采用改进阈值函数提升小波阈值去噪方法去除高斯噪声。实验结果表明，当噪声值(ρ，σ)=(0.4, 20)时，采用本文去噪方法，峰值信噪比(PSNR)为34.002 1，平均绝对误差(MAE)为2.365 3。

精确的波前探测是反射镜面型检测及光束波前畸变测量的重要依据，论文根据Shark-Hartmann理论对波前探测技术进行了模拟和实验研究。将平行光经过球面透镜/柱面透镜后形成的球面波/柱面波作为探测波前。实验采用商用的微透镜阵列和CCD搭建Shark-Hartmann传感器，利用实际光束作为参考光，避免了参考光的不准直性对实验的影响。模拟计算结果表明平均曲率误差为13.423 mm，实验结果实现了对球面/柱面/倾斜波的探测及复原。

为了在地面试验阶段准确标定出航天CCD相机在轨成像时的像面位置，提出了一种基于自准直干涉测量原理和调制传递函数测量原理的航天CCD相机焦面位置的地面标定方法。介绍了该方法的原理和实施过程，并以口径1 m、焦距20 m的平行光管标定口径600 mm、焦距6 m的航天CCD相机为例，分析并计算了新标定方法和已有标定方法的标定精度。结果表明：新标定方法的标定精度优于0.006 mm，是已有标定方法标定精度的5倍至10倍，能够满足现阶段所有航天CCD相机的焦面位置的标定精度要求。

针对航空涡轮发动机叶尖间隙测量难度大、精确度不高的问题，提出利用影像测量技术对装配过程中的叶尖间隙进行高精度测量，采用自定义标定、改进的边缘检测和Hough变换、图像超分辨率复原技术，通过运动控制机构、工业CCD摄像机、计算机视觉库，设计了独特的图像测量体系，实现了叶尖间隙的高精度非接触测量。实验结果表明，测量精度达到了15 μm，与其他叶尖间隙测量以及影像测量系统相比，该方法不仅精确度有所提高，而且移植性好、成本低。

为了保证望远镜装配完成后的成像质量和其他关键指标，提出基于像差校正的望远镜装调方法。首先利用Zemax建立光学系统模型，模拟光学零件失调状态，分析各零件的每种失调状态对各类像差的影响情况，进而定量计算光学零件对系统像差的敏感矩阵，得出系统失调特性，拟定最佳装调方案。在此理论分析的指导下，进行基于星点检验法的装调实验，装调后仪器各项指标达到要求，分辨率优于技术指标要求7.5″，验证了基于像差校正的光学系统装调方案的可行性。

系统参数标定是结构光三维测量系统的关键问题之一，标定板特征圆圆心检测精度与投影仪、相机镜头gamma效应引起的相位误差是系统参数标定的主要误差来源。采用Sobel算子粗定位标定板特征圆的边缘点，以正交傅里叶-马林矩(OFMM)算子对边缘点进行亚像素定位，用椭圆拟合法确定特征圆圆心的方法提高标定板特征圆检测精度。同时，推导结构光三维测量系统gamma非线性数学模型，将计算得到的系统gamma值的倒数作为投影正弦光栅的指数以降低gamma效应引起的相位误差。实验结果证明了该方法的准确性，与不采用亚像素边缘检测与gamma校正相比，X、Y方向的标定精度分别提高约3.5倍与5倍。

为了研究探测光波长的漂移对能见度测量的影响。从Koschmieder经验公式的定义出发，根据实验测得400 nm~1 100 nm波段的气溶胶透过率，分析研究探测光波长漂移对能见度测量结果的影响。结果表明，能见度测量的相对误差与探测光波长和波长的漂移范围以及气溶胶消光特性有关，能见度测量的相对误差随着探测光的波长漂移范围线性增大，随着波长漂移范围的增大，各个波长的能见度测量相对误差线性增大的速率不同，对于相同的波长漂移范围，使用不同的探测光波长产生的能见度测量相对误差不同。对于某一大气环境，使用特定的波长而且中心波长稳定的光作为探测光可以明显减小由于探测光波长漂移引起的能见度测量相对误差。

针对外差干涉的微振动测量存在稳定性低、严重受环境噪声影响等缺点，提出了对光路的改进方案。根据差分原理将其改为双光路，消除环境噪声的干扰；通过偏振分光棱镜(PBS)将椭圆偏振光变为线偏光，提高干涉信号幅值；改进频移装置(AOM)，抑制频率漂移；增加光阑，滤除杂散光，提高系统信噪比。通过探测5 kHz压电陶瓷振动信号，以及2.5 MHz高频激光超声信号进行实验验证，结果表明：信号稳定且无纹波，系统分辨率为2.3 nm，信噪比提高16.7倍。两路干涉信号幅值分别为552 mV和736 mV，较传统外差干涉信号幅值提高近10倍，有利于纳米量级微振动信号的检测。

作为1 m太阳望远镜(NVST)导行系统的重要组成部分，导行镜的成像稳定性至关重要。环境温度载荷造成的镜体变形会造成热离焦从而影响导行镜的成像质量。采用有限元方法分析NVST导行镜在-5 ℃、20 ℃和35 ℃等不同环境温度状态下的温度分布，并计算了温度变化产生的轴向结构变形,即最大离焦量为6.45 μm。计算结果表明：主镜到靶面的距离变化最大值常温下为7.14 μm远小于系统焦深(±35 μm)， 达到了对NVST导行镜无热化结构设计的目的。

介绍国际上地面极大光学/红外望远镜的研制概况，分析高分辨率光谱仪与极大口径望远镜耦合中的难题，结果表明极大口径望远镜需要超大面积阶梯光栅和超快焦比相机。根据光谱仪与望远镜的匹配关系，30 m级极大口径望远镜的高分辨率光谱仪的准直光束将大于70 cm，主色散阶梯光栅的面积大于2 m2，照相机的焦比F/0.5，按照目前的制造技术无法提供上述光栅和相机，因此，提出高分辨率光谱仪与极大望远镜进行耦合的技术。针对耦合问题给出了相应解决方案，即采用像切分器、拼接光栅以及白瞳设计等技术将是极大口径望远镜与高分辨率光谱仪耦合的主要解决方案。

鉴于压力传感器为工业生产中压力监控的一种必不可少的设备，分析了光纤光栅中心波长与光纤光栅应变之间的关系，阐述了带有硬中心的圆形膜片受到均匀压之后，膜片中心的挠度与压力之间的数学关系。在此基础上设计了圆形膜片作为流体压力转化光纤光栅敏感物理量的元件，并结合辅助元件完成对光纤光栅传感器组装，建立了传感器输入输出之间的线性数学模型。通过实验验证传感器线性度和重复性，运用数学计算得出了光纤光栅压力传感器各项参数，灵敏度Km=-0.658 nm/MPa，初始波长λ0=1 578.441 nm，为后期传感器稳定性作好了铺垫。

对液晶新性能的研究是当前的研究热点。通过非线性数值拟合研究掺杂纳米稀土氧化物Nd2O3聚合物分散液晶(PDLC)在实验给定驱动电压范围20 V~30 V以及在紫外335 nm~375 nm范围内的透射率，给出了符合此实验数据的函数关系，即为一个正弦函数之和的形式。拟合结果中最小相关系数(R)为0.999 8，最大均方误差(RMSE)为0.057。另一方面，通过对吸收带峰值的位置和趋势随着驱动电压的变化进行数学拟合,得到2个数学函数，函数关系为二次多项式的形式。拟合结果的和方差(SSE)分别为1.292e-026和3.944e-030，相关系数均为1。拟合结果表明：数学拟合结果和实验数据接近吻合，能够为进一步研究掺杂纳米Nd2O3聚合物分散液晶(PDLC)在20 V~30 V驱动电压下的紫外电光特性提供一定的理论依据。

二代扫描型热像仪的非均匀性校正(NUC)通常采用定点两点温度校正法或定点多点温度校正法，采用定点校正无法适应时间或环境的变化对探测器带来的影响，造成校正偏离，空间噪声增大。通过在成像光路中设置2个可控温的黑体完成探测器的实时校正，保证在不同时刻以及不同应用环境下，黑体的温度始终实时地跟随场景温度，校正系数实时更新，使非均匀性校正的输出误差有效降低。通过实际多个场景对比试验，采用传统定点校正，非均匀性噪声约为4.0，而该方法的噪声不大于2，有效降低50%。

为了精确测量甲烷气体的体积浓度，采用平行红外光源IRL715EN-PR设计了红外甲烷气体检测系统。整个检测系统由硬件电路和软件系统组成。在软件程序设计上设计了一种关于信号处理的新算法，同时设计了中断喂狗程序，大大延长了看门狗定时复位时间。利用Matlab对数据进行了拟合，得到了系统的浓度和电压的函数关系。实验表明，在体积浓度在0%~4%范围内，系统最大相对误差小于1%。

为LDA侧面泵浦Nd∶YAG棒状固体激光器的优化设计、参数选取及后续试验提供了理论依据和参考,建立了环形侧面泵浦棒状介质泵浦光场分布数值计算模型，研究了LDA侧面泵浦固体Nd∶YAG激光器泵浦光场的分布特点。模拟分析了LDA的bar间距、玻璃管厚度、激光晶体半径等几个主要泵浦结构参数对泵浦光场分布的影响。通过对不同泵浦参数下泵浦光分布特性的数值计算，优化了LDA侧面泵浦固体激光器的泵浦结构参数，优化后的仿真结果表明：在泵浦距离为2 mm条件下，晶体直径为4 mm，玻璃管套筒厚度为1 mm，冷却水层厚度为1 mm时，泵浦光在晶体中心处强度相对值为40.8%，在晶体轴心附近分布比较均匀，且均匀分布区域相对较大。

对电子束蒸发方式镀制的HfO2/SiO2反射膜采用大口径激光进行辐照，采用激光量热计测量了激光辐射前后的弱吸收值。实验发现HfO2/SiO2反射膜在分别采用1 064 nm和532 nm的激光辐照前后薄膜吸收分别从5.4%和1.7%降低到1.4和1.2%。采用聚焦离子束技术分析了激光辐照后薄膜的损伤形态并探究了损伤原因，发现：薄膜在激光辐照下存在节瘤的地方容易出现薄膜损伤，具体表现为熔融、部分喷发、完全脱落3种形态，节瘤缺陷种子来源的差异是导致其损伤机理也存在着巨大差异的主要原因。同时这些节瘤缺陷种子来源也影响着激光预处理作用效果，激光预处理技术对于祛除位于基底上种子形成的节瘤是有效的，原因是激光辐射过后该节瘤进行了预喷发而不会对后续激光产生影响；而激光预处理技术对位于膜层中间的可能是镀膜过程中材料飞溅引起的缺陷是无效的，需要通过飞秒激光手段对该类节瘤进行祛除。

为了提高激光微加工质量，对激光焦斑进行整形，采用菲涅尔衍射公式进行了理论分析，基于遗传算法和设计约束条件通过Matlab设计了两种二元相位元件，0-π结构四环相位板的归一化半径尺寸r1=0.15、r2=0.70、r3=0.81，非0-π结构四环相位板的归一化半径尺寸为r1=0.25、r2=0.498、r3=0.652，从内到外各环对应的相位为2.879、3.087、0、3.012，采用这两种位相板调制后的纵向光斑大小可压缩至艾丽斑的76%和75%，峰值能量比分别为0.39和0.42，旁瓣能量分别为0.64和0.41，这两种相位板均可应用于飞秒激光微加工。

激光系统中的光学薄膜极易受到高能激光的辐照而产生热损伤，因此研究长脉冲激光作用下光学薄膜的温度场非常重要。建立了二维轴对称杂质模型，使用有限元方法计算了单层HfO2薄膜材料的瞬态温度分布，进一步分析了铂金杂质粒子的吸收系数、填满深度对膜层及其基底最大温升的影响。结果表明：相比于纯净HfO2薄膜，当薄膜中杂质粒子深度为100 nm时，其表面最大温度增加1倍左右；当粒子深度大于750 nm时，基底温度高于薄膜表面温度，从而可以使热损伤从薄膜基底开始。研究结果对于长脉冲激光系统中的光学薄膜的制备和预处理，具有一定的指导意义。

当使用激光诱导击穿光谱技术(LIBS)测量火焰场内碱金属元素时，等离子体内碱金属原子所发出的LIBS信号，会受到等离子体外火焰中基态碱金属原子的吸收，影响测量精度。基于Beer-Lambert定律和CH4-空气火焰场内气态含K物质的热力学平衡原理，建立了火焰场内K元素LIBS信号的原子吸收模型，并分析了实际生物质颗粒燃烧K元素释放浓度范围内，火焰气氛、K元素浓度分布以及总K浓度对火焰原子吸收效率的影响。研究发现，随着O2/CH4的摩尔比值的增加，火焰中热力学平衡状态下K原子占总K的比例从约25%逐步降低，火焰原子吸收效率也从86.8%逐步降低。当O2/CH4的摩尔比值大于2时，火焰尾气中会存在剩余O2，此时火焰内K原子的吸收效率均低于13%。同时，火焰中K元素浓度分布以及总K浓度的合理调整亦对火焰原子吸收效率具有降低作用。在此基础上，提出了创造氧化性气氛、调整K浓度分布来降低火焰原子吸收效率和提高LIBS测量精度的解决途径。

为了扩大激光语音检测系统的应用场景，分析目标物材料参数对系统语音获取的影响，在完善语音获取中，语音信号从产生到与目标物作用的信号流程基础上，对目标物进行声致振动建模，以Sewell-Sharp-Cremer模型为基础，提出目标物声致振动幅度计算方法，并根据Matlab分析计算和实验对比了铁、铝、塑料、纸4种目标物的振幅及其对激光语音获取的影响。仿真及实验结果表明：目标物振幅在300 Hz～1 000 Hz呈指数型衰减，在1 000 Hz以上衰减趋于平缓；300 Hz处非金属材料振幅为69 nm和62 nm，高于金属材料的30 nm和10 nm。金属材料较非金属材料动态范围小，频率敏感度低，更适合作为语音获取的目标物。