为了设计出适用于超大视场红外鱼眼告警系统的有效算法，对超大视场红外鱼眼告警系统所拍摄的红外图像进行分析，结果发现：超大视场红外图像中目标只表现为一个点，红外图像的背景非常复杂；对于天空背景，随着仰角的增大，其辐射亮度逐渐变小，目标的运动轨迹被弯曲，并随视场角的增大其弯曲程度越甚。从红外鱼眼镜头的设计理论出发，对系统的像面照度进行了分析，并采用美国光电工业公司的CDS100-04型黑体作为标准辐射源对分析结果进行了实验验证，结果表明：不同位置处灰度值的相对标准偏差仅为2.26%，说明该系统的像面照度是均匀的；最后，对系统的作用距离进行了分析，其作用距离约为9.6km，基本满足实际需要。

在变焦镜头设计的最后阶段需要进行凸轮曲线的设计，为了平衡成像倍率变化的均匀性与凸轮转角，需要选择合适的凸轮曲线形式，要求建立成像倍率M与凸轮转角之间的某种函数关系。根据凸轮曲线所要满足的实际边界条件和函数连续性，建立M与几种常见的函数关系，利用Matlab对设计实例进行仿真。结果表明：建立的成像倍率M和凸轮转角的幂函数关系及压力升角都不超过允许值时，变倍倍率变化均衡性最好，倍率变化曲线平滑，且无凸轮拐点。该方法可以方便设计人员针对不同设计要求改变凸轮曲线形状，找到最佳变倍凸轮曲线。

在傍轴近似下，推导出了左手材料平板聚焦系统的传输矩阵，并利用ABCD定律得到了高斯光束在左手材料中和经过平板透镜聚焦后的传输公式。高斯光束在左手材料内部和像空间的传输公式的研究表明：像高斯光束和物高斯光束束腰大小一致，即左手材料平板透镜实际上对高斯光束没有聚焦作用。研究同时表明左手材料平板对高斯光束的聚焦与几何光学成像规律完全一致，而不存在一般透镜聚焦时的焦移效应。

针对现有直升机机载光电稳瞄系统高精度角度测量和角速率测量的特点，提出一种利用测量目标相对角度和角度变化率等参数实现目标实时被动测距的方法。建立了机载稳瞄平台对地面固定目标定位的数学模型，提出利用系统旋转变压器测量目标角度，利用惯性速率陀螺测量目标角度变化率。该方法使得目标角度变化率的测量精度(优于0.1mrad/s）比一般光学方法提高了一个数量级。利用扩展卡耳曼滤波(EKF)算法提高目标距离估算精度，保证测量结果的稳定性。理论仿真和外场验证实验结果表明，该方法可以实时估算目标相对载机的距离，适合于武装直升机快速实时目标定位。

在光学系统中加入2个或多个可变光学元件，保持光学元件位置不变，通过微调装置改变这些可变光学元件的焦距使得整个光学系统的有效焦距发生变化。基于该设计思想，结合卡塞格林(Cassegrain)反射式望远镜结构模式，使用ZEMAX光学设计软件设计了焦距为1600mm～800mm，视场0.6～1.2的变焦系统，整个系统由2个可变形反射面、1个平面反射面和1个透镜组成，主要通过主镜和次镜面型曲率(可变形镜DMs, Deformable Mirrors)以及入瞳直径的变化实现系统变焦。设计结果表明：系统在空间频率16lp/mm处调制传递函数大于0.75，最大均方根弥散斑半径均小于探测元尺寸，满足成像要求。

为满足机载光电系统的成像作用距离要求，对机载光学整流罩以及扫描反射镜的设计尺寸进行了理论仿真分析计算，并对研制的样机进行了试验研究。以实例形式给出了整流罩设计的作用距离与相关参量的计算结果，讨论了整流罩扫描系统的渐晕大小。装备该整流罩系统的样机，在近万米高空对音速某战机的红外长波扫描搜索距离可达到86km，红外中波跟踪达到180km，激光测距达到47km。结果表明：根据探测作用距离理论模型分析计算，研制的机载光学整流罩及扫描反射镜光学系统达到了设计要求。

为了研究机场进场着陆系统存在的多径效应问题，利用激光波束赋形容易实现的特点，以电磁系统缩比理论为基础，利用可控的激光发射装置发射强方向性并具有特殊要求宽度和范围的激光扫描信号模拟着陆导航系统角度制导天线的功能，对该方法的可行性从波源相似性、反射点坐标相似性、信号到达时间在时间轴上相似性、障碍物模型对激光的散射特性、相位的非精确相似等5个方面进行了深入分析，并进行实验，实验结果表明缩比环境下激光波束可以模拟出实际机场的多径效应现象，为研究进场着陆导航系统的多径效应问题探索了一条新的途径。

为解决大惯量光电跟踪器对高速机动目标的角秒级跟踪问题，设计了以快速控制反射镜作为精级，大惯量跟踪架作为粗级的双探测器型光电复合轴跟踪系统，并对快速控制反射镜和复合轴系统所涉及关键技术进行了分析。通过某模拟航路半实物跟踪试验不超过70rad的跟踪误差，验证了系统设计的有效性。

由于环境工况的多变性，光学窗口设计交叉了光、机、热等多种学科。在压差、轴向温差及径向温差工况下，分析光学窗口形变对某大口径、长焦距平行光管光学性能的影响，建立了光学窗口的有限元模型，与理论结果进行对比，验证了该有限元模型的有效性。以有限元分析得出的光学窗口变形数据为输入数据，带入改进了的Zernike多项式光机分析接口程序，获得了与像差对应的Zernike系数。用得到的Zernike系数表示光学窗口面型，以波像差作为光学系统成像质量评价指标，分析光学窗口变形对大口径、长焦距平行光管系统光学性能的影响。结果表明：光学窗口变形对平行光管系统光学性能的影响可以忽略不计。

利用一对光楔间距变化时，通过它的成像光束的像点会产生微小偏移这一特性，在双CCD图像拼接探测器中增加了光楔调整机构，该光楔调整机构包含两对光楔，一对光楔用于CCD水平方向的图像调整；另一对用于垂直方向的图像调整。通过设计、制作，光楔调整机构最终应用于双CCD图像拼接探测器的装调。装调过程显示：加装光楔调整机构对原有光学系统没有任何影响，可以实现精度高于0.001mm的图像移动量，有效降低了双CCD图像拼接探测器的装调难度，提高了拼接图像质量，降低了生产成本。

背投影拼接显示屏一直被显示图像上存在的图像拼缝所困扰，根据背投影显示原理，分析了图像拼缝产生的原因，提出扩大投影光范围，采用光楔导光的方法将边缘投影光线引入拼接缝，利用全反射临界角原理使进入拼接缝的光线可以近似垂直的方向投射到屏幕上，使图像可以连续跨越拼接缝显示，完全消除了所显示图像上的拼缝黑线，实现了背投影拼接显示屏真正的无缝显示。

为了得到低振幅双光子屏蔽光伏孤子时间特性的结果，采用数值模拟的方法对低振幅双光子屏蔽光伏孤子的时间特性进行了理论分析，得到了明和暗孤子时间特性的演化方程。结果表明：孤子的宽度随时间的演化单调递减到一个最小值直至稳态孤子的形成，在相同的演化时间内，孤子的半峰全宽随着孤子峰值强度和暗辐射比值的增大而变窄。

针对LED在灯具配光、散热等方面达不到实用要求，无法真正体现出经济节能的问题，参照已有太阳能LED路灯产品，根据相关国家标准和行业标准，确定90W太阳能LED路灯系统的技术指标和性能要求，在此基础上进行初步设计。对系统中的主要部件进行设计论证和选型，得出一个可行的设计方案，通过MATLAB软件对LED的照度分布和灯具的配光进行仿真，并就配光和散热这两个方面对系统进行优化，使其符合道路照明要求。

在光学相关识别中，对相关输出结果进行后处理是保证图像识别准确性的关键之一。研究者通常采用神经网络技术对相关输出结果进行处理，并取得了较好的效果，但它需要预先准备大量的相关峰和噪声峰训练样本。根据极坐标变换能将笛卡尔坐标系下的旋转转变成平移的性质以及傅里叶变换的平移不变性，提出一种基于傅里叶-极坐标变换的相关结果后处理方法。验证结果表明：目标的旋转图像与目标自身的傅里叶-极坐标变换的相似度较大，而干扰图像与目标的傅里叶极坐标变换的相似度较小。本文的方法在后处理阶段可对目标和干扰进行有效的分类识别，而且还能避免对相关峰和噪声峰训练样本的收集，从而使得光学相关识别系统的应用更加便利。

为了研究采样点数目对由Zernike多项式所拟合的曲面的拟合精度的影响，采用不完全归纳法，取得了采样点与拟合精度之间的数据关系。结果表明：不同的测试函数遵循相同的规律，即采样点数目达到一定数目后，拟合精度随采样点的变化很小。并且，通过计算得到了在较高拟合精度时，采样点数目与Zernike多项式的项数之间的变化规律，实际例子证明了该变化规律的正确性，其对于Zernike多项式拟合曲面具有很好的指导意义。

在摄像机标定过程中，提取标定模板图像特征点的精度是影响摄像机内外参数标定精度的重要因素。本文根据条纹投影三维轮廓测量实验系统的要求制作了点阵列标定模板，在图像处理边缘理论的基础上，以圆的解析特性为依据，采用坐标转换思想，引进圆系描述点、圆对应关系，运用统计学理论，提出提取点阵列标定模板图像特征点的新方法，并通过实验验证了该方法的正确性和可行性。为下一步的摄像机内外参数求解做了铺垫。

在大型设备自动对接系统中，需要CCD摄像头对一设备截面的圆目标进行图像获取,并找出图像的中心点坐标，用于两设备的中心对准。为了满足实时性测量和高精度定位要求，提出一种CCD摄像头圆目标中心定位方法。先对图像使用中值滤波方法进行图像增强，利用广义数字形态学中的多结构抗噪膨胀腐蚀型算子提取单像素宽图像边缘，用多项式插值法对图像边缘进行亚像素定位，用半径约束最小二乘圆拟合法对圆中心进行精确定位。实验测量结果表明，该方法测量时间短、精度高、稳定性好，亚像素定位精度优于1/20像素，中心点总标准偏差小于0.01，可满足设备自动对接系统要求。

视频图像分割时的运动阴影由于与被测对象的相似性而常被误判为被测对象，传统的阴影检测方法一般难以满足实时智能交通系统对处理速度的要求。为此，提出用多阈值法分割图像，将灰度化的当前图像与背景差分，再用正、负两个阈值对其二值化，在分割出深色和浅色被测对象的同时消除阴影。实验表明，将这种方法应用于运动车辆的检测，具有速度快和阴影消除效果好等特点，可应用于实时的运动目标检测和跟踪等领域。

局部直方图均衡是以全局直方图均衡化方法为基础，对图像中每个像素点所在的邻域范围求出灰度转换函数，然后仅应用在该中心点处。为了提高算法的运算速度，特别是在处理视频图像时，采取传统的DSP的设计方法在速度上很难满足需要，因此，利用FPGA实现是一个很好的选择。为使局部直方图均衡方法能够在FPGA上具体实现，从空间域的角度改进了图像灰度直方图均衡算法，并利用VHDL语言对算法进行了完全可综合的RTL级描述，最后在硬件平台上验证了结果。

粒子场的数字全息诊断中，良好的再现算法能够在较短的时间内给出高质量的再现像。利用标准粒子板模拟单层面的粒子场，使用大面阵CCD实现同轴数字全息记录，得到了大尺寸的数字全息图。针对4种数字全息再现算法，本文从再现图像的质量、再现全息图的大小和计算速度3个主要方面进行了比较研究，结果表明角谱算法(FFT-AS)具有再现图像背景均匀，再现结果中无物理图像压缩，可以再现大尺寸的全息图且具有较快计算速度的优点，适合于粒子场同轴数字全息图的再现计算。

星载InSAR干涉基线矢量方位角的测量精度对整个系统的测绘精度有着十分重要的影响。针对星载InSAR测量系统对其干涉基线矢量方位角的测量要求，给出了一种基于图像处理的CCD摄像测量方法。利用CCD摄像测量法对主副天线在平面内的相对位移进行了精确测量。分析了系统的理论误差，构建了完整的实验系统，并对光学靶标的固定步长位移进行验证性实验测量，实验结果与理论分析值具有较好的一致性，测量系统的测量精度优于1,证明了该测量方法具有很好的可行性。

采用90型二频机抖激光陀螺和石英挠性加速度计，利用单轴旋转惯性组件的方法，研制了高精度姿态测量系统。介绍了系统的硬件结构组成和无减震结构设计方案，给出了初始对准和姿态测量系统的算法。系统的初始对准采取粗对准和精对准两种方式, 姿态测量系统的误差传播特性由系统的误差模型来描述。对该系统进行了静态导航实验和长时间单轴旋转导航实验。实验结果表明：系统水平姿态24h保持精度优于30，24h航向保持精度优于30。

在瑞奇-康芒检测中，被检平面本身所固有的像散和大曲率在被检系统波像差数据中都表现为像散。由于被检平面处于发散光路中,这就使得平面面形与系统波像差之间的关系(即影响函数)变得十分复杂,推导起来十分困难，只能进行定性或半定量检测。文中介绍了如何通过计算机光线追迹模拟瑞奇-康芒检验，在两个瑞奇角下得到两组影响函数，以此建立过定方程组，由干涉仪检测得到的两个不同瑞奇角下的系统波像差，通过最小二乘法解过定方程组，拟合得到被检平面镜的面形误差；实现了大口径平面镜的定量检测，并以平面镜直接检验的面形误差作为对比，检验结果的一致验证了该方法的准确性与可行性。

利用光纤光谱仪和光纤探头建立脑组织血氧饱和度（hemoglobin oxygen saturation, SO2）微创在位测量系统。将悬乳液和全血的混合溶液作为生物组织模型，获取模型在不同SO2下可见光区实时吸收光谱与血氧分析仪所测SO2数据的样本集，将吸收光谱作归一化处理后取得500nm～600nm区间的4个光谱特征参量，通过统计分析建立特征参量与血氧饱和度的经验公式。结果表明：利用该系统获得了30只大鼠脑皮层不同深度的血氧饱和度SO2，其范围为64%～76%。这种方法有助于脑外科微创手术中实时在位测试脑组织血氧饱和度研究。

传统的匹配光纤布拉格光栅型光纤光栅波长解调系统具有波长匹配精度低、调节困难和动态测量范围小的缺点。为了克服上述缺点，采用波长可调谐高斯型滤波器代替传统匹配光纤光栅，提出了一种新型的光纤光栅波长解调技术。建立了基于高斯型滤波器的光纤光栅振动解调系统。对不同频率和振幅的周期性振动进行了解调实验。发现当选择合适带宽的滤波器时，透过滤波器的光功率随压电陶瓷上所加电压信号同步且高保真地变化，表明该系统对振动信号实现了有效的解调。该系统同时具有响应速度快、物理结构简单、动态测量范围大的优点。

介绍了一款基于并行光纤通信技术的高清视频信号(high-definition multimedia interface, HDMI）传输线缆的研制技术方案。这种新型HDMI线缆采用垂直腔面发射激光器(vertical cavity surface emitting laser, VCSEL）阵列作为发射端，光电探测器（photodiode, PD）阵列作为接收端，两者之间采用多模光纤阵列互连，通过将电信号转变为光信号传输解决了铜缆损耗对电信号传输速率和传输距离的限制。与铜缆HDMI线相比，这种新型HDMI线能够以4信道3.4Gbps的传输速率实现长达300m的传输距离，为当前高清视频信号和下一代超高清视频信号远距离传输提供了可行的技术方案。

为了更方便地编写基于串口通信的光纤光栅传感网络的分析软件，实现对光纤光栅传感网络的远程控制，设计了一种VB语言环境下编写光纤光栅传感网络的分析软件的方法。利用VB语言环境实现了PC机和单片机之间串口通信、PC机对单片机的控制、数据处理以及图形绘制功能。并利用已标定的光纤光栅对可调谐激光器解调法的光纤光栅传感网络及其解调软件的精确性和实用性进行测定。实验结果表明该软件具有设计简单、工作稳定的特点。本文也为光纤光栅传感网络的远程控制和联网控制提出了思路。

分析铒纤长度对掺铒光源输出特性的影响对于光源的优化设计有重要意义。实验分析了铒纤长度对单程前向和后向掺铒光纤光源(SFS)输出特性的影响。分析了铒纤长度与单程SFS输出光功率的关系，以及铒纤长度对单程SFS输出光谱宽度及中心波长的影响。找到了最佳铒纤长度的范围，对单程掺铒光纤光源的器件选择及性能优化有重要的参考价值。

为了克服一般绝对距离测量方法量程和精度不能同时满足的问题，提出一种相位激光测距与外差干涉相结合的绝对距离测量方案。该方案使用相位激光测距技术进行粗测，双纵模He-Ne激光器外差干涉测长技术进行精测，保证两者结合的单值性。建立测量系统，对方案的可行性进行了实验验证，并对影响系统稳定性的因素进行了分析。与双频激光干涉仪的比对结果表明：测量标准差优于1mm，可以满足一些大尺寸的测量精度要求。

响应度R是反映探测器性能的一项重要指标，当探测器被强激光损伤后，光电探测器的响应度将发生改变。设计了一套实时测量探测器响应度的装置，用能量逐渐增加的Nd∶YAG激光辐照PIN光电探测器，获得了探测器响应度与入射强激光功率密度的变化关系。从实验数据可知，探测器被功率密度低于7.6105W/cm2的激光辐照后不会发生损伤，探测器对532nm参考光的响应度不变；当激光的功率密度超过1.27106W/cm2时，激光辐照后，探测器对532nm参考光的响应度开始下降，当探测器被功率密度为6.01106W/cm2的激光辐照后，响应度迅速下降，PN结遭到破坏是探测器响应度下降的根本原因,扫描电镜的结果与我们的分析相一致。

用ANSYS有限元热分析软件模拟了基于AlN膜钝化层和SiO2膜钝化层的高功率垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL)器件内部的热场分布和热矢量分布。经模拟得到基于AlN膜钝化层的VCSEL热阻为3.123℃/W，而基于SiO2膜钝化层的VCSEL的热阻为4.377℃/W。经实验测得基于AlN膜钝化层的VCSEL热阻为3.54℃/W，而基于SiO2膜钝化层的VCSEL的热阻为4.75℃/W，模拟结果与实验结果吻合较好。

基于传输矩阵理论,针对端面抽运的U型腔Nd∶YVO4固体激光器谐振腔的稳定性进行了理论分析和数值模拟。通过改变U型腔各个臂长得到不同腔臂长条件下谐振腔的稳区范围和晶体中心处的振荡光斑，比较稳区范围以及振荡光斑，找出一组腔参数值使谐振腔能够在较高泵浦功率下保持稳定且振荡光斑足够理想。按照确定的腔参数值进行了具体实验，实验结果表明:按选定参数设计的谐振腔在调Q重复频率为100kHz，泵浦功率为60W时，激光器能够稳定工作并输出21.6W的高重频激光，谐振腔稳区范围的变化规律与理论计算基本吻合。

为了得到一个合理的He-Ne激光光束聚焦物镜，采用以正前凸型为基础的高折射率双片结构，应用Zemax软件进行优化设计，获得了弥散斑直径为0.002mm的He-Ne激光聚焦物镜，该镜头只需校正轴上点球差。实验结果表明：设计的镜头比低折射率单片透镜得到的弥散圆直径更小，达到0.0019mm，球差被控制在-0.05mm～+0.05mm范围内，MTF曲线所围面积变大，中心点亮度增高，符合实际需要。

以发动机气缸/活塞环摩擦副为具体研究对象，研制了一种新型激光珩磨设备。由于发动机汽缸套载重大，且形状不规则，故设备采用激光头既旋转又直线运动的运动方案。该设备在移动轴和转轴中分别安装有高精度光栅尺和高精度增量旋转编码器以提高运动控制系统的精度。为了使微凹腔沿圆周均匀分布，采用了小数分频原理，能够实现任意小数分频。通过对运动控制卡与自制的调Q控制卡的软件编程，实现了运动控制系统与激光系统的协同控制，用以在气缸表面加工出特定的微观形貌。加工方法采用的是单脉冲同点间隔多次的激光微加工新方法。利用该方法能够方便地加工出微观或宏观的形貌且能显著地减少激光加工所带来的负面热效应。

为了获得超光滑光学表面，介绍了离子束作用下改善表面粗糙度的抛光方法，并通过相关的实验进行了验证。光学材料是典型的硬脆材料，在加工过程中的表面粗糙度要经历复杂的演变过程。离子束加工作为光学镜面加工中的最后一道工序，如果在修正面形的同时，能够有效地改善表面粗糙度，那么离子束加工的性能就可以得到更好的延伸。分析了离子束作用下的粗糙度演变机理，在此基础上提出了倾斜入射抛光和牺牲层抛光技术2种改善表面粗糙度的方法，并使用原子力显微镜进行了测量。实验结果表明：以45倾斜入射抛光熔石英样件，其粗糙度由初始的0.67nm RMS减小到0.38nm RMS；涂上牺牲层的材料表面粗糙度由0.81nm RMS减小到0.28nm RMS，倾斜入射抛光和牺牲层抛光技术能够有效地改善表面粗糙度。

光学元件的表面面形或波前质量一般采用数字指标峰谷值PV(表面最高点和最低点之差)来评价。而两点PV在高分辨率干涉仪的测量结果中具有很大不确定性。为了更准确地评价光学元件的表面面形或波前质量，讨论了针对两点PV进行改进后的评价方式PV20，PVr，PVq。通过模拟实验证明其可以描述真实波面，并在实验中证明其可以消除灰尘等杂点对测量结果带来的干扰，以及这几种评价方式对CCD分辩率的变化不敏感，并发现上述3种方式在测量重复性方面也有较好的表现。

光束取样光栅(BSG)是一种重要的用于光束取样诊断的衍射光学元件。以2块取样光栅代替单块光栅作为初始光学结构，运用Zemax光学设计软件采用分步优化的方法设计了具有消像差功能的光栅对结构，此方法比采用Matlab语言编程计算的方法消像差更快捷、更灵活，同时可以验证程序计算结果的正确性。设计结果显示：再现的会聚光经2块光栅衍射后在像平面上点列图中的均方根半径仅为0.506m，单块取样光栅的均方根半径则为7.284m，说明2块光栅能够做到像差互相矫正，其像质明显好于单块取样光栅。另外，设计出的双光栅光学系统，可进行远场光斑质量检测，为激光束性能的在线诊断提供了行之有效的技术支持。