根据波前编码系统的设计理论，在兼顾图像恢复能力的基础上，提出利用不同离焦距离的点扩散函数与焦面处的点扩散函数之间的希尔伯特空间角作为成像特性一致性的评价函数，结合遗传算法，对扩大景深的波前编码成像系统的相位板参数进行优化。分别在空间域和频率域上分析应用波前编码技术前后光学系统的成像特性，并利用最小二乘数字滤波器对中间模糊图像进行复原。仿真实验结果表明：在三次相位板上应用此方法获得的最佳相位板参数使波前编码系统焦深扩展了10倍。

针对目前大多数视觉跟踪算法只能够跟踪平移运动人脸目标，而不能跟踪旋转运动人脸目标这一问题，提出一种基于最大后验概率的人脸目标平移与旋转跟踪方法。在基于最大后验概率的视觉跟踪算法基础上，采用了自适应角度模板进行人脸目标旋转跟踪，与传统的视觉跟踪方法相比，当人脸发生倾斜时，该方法能更精确地得到人脸的位置和方向。实验结果表明，该方法能够有效地跟踪具有平移与旋转运动的人脸目标。

利用Jones矩阵法，理论上分析了方位角分别为 0和-45的2个可变相位延迟器组成的偏振转换器可实现任意偏振态到水平线偏振态的转换，并推导出可变相位延迟器延迟量的表达式。利用自主研制的液晶相位可变延迟器的相位延迟，在1V～2.7V范围，根据驱动电压连续线性可调的特性, 设计了两片液晶可变相位延迟器组成的偏振态转换器，实现了随机偏振态(Stokes参数为(-0.567，0.752，0.36))到水平偏振态(Stokes参数为(1，0，0))的可控调制，实验结果验证了理论分析结果。该偏振态转换器还可以实现其他任意偏振态到水平偏振态的调制。

光学系统是分光光度计的核心部分，以光谱仪基本原理和光学设计理论为基础，以便携化、低成本、且满足设计要求的光谱范围和分辨率为具体设计目标，对李特洛系统、艾伯特-法斯梯系统、切尔尼-特纳系统、交叉式切尔尼-特纳系统这4种可行的设计方案进行了比较与分析，提出以平面衍射光栅作为色散元件的非对称交叉式Czerny-Turner结构作为该设计的系统结构。用光学软件对该系统进行模拟和优化，设计结果表明：设计的系统光谱范围为360nm～740nm，光谱分辨率为10nm、F数为5.25、光谱展开为44.1mm、系统体积约80mm69mm62mm，满足精度高、体积小及成本低等设计要求。

讨论并设计了一种超薄的菲涅尔聚光镜，根据费玛原理设计出以非球面为截面的中心折射区域和TIR（内部全反射）棱镜为锯齿部分的折反区域，用ZEMAX软件优化得到最佳聚光态，并利用ZEMAX软件模拟出菲涅尔聚光镜聚光性及其能量分布，最终得到总厚度仅为30mm的折反复合型菲涅尔聚光镜。实验结果表明：折反复合型菲涅尔聚光镜不仅能提高太阳能的利用率，同时也使会聚到光电池表面上的能量分布更均匀，复合式菲涅尔聚光镜的性能优于传统的菲涅尔聚光镜。

通过利用ZEMAX光学工程设计软件设计了一款适用于手机的2倍内置式光学变焦距镜头。镜头仅由4片非球面的塑料透镜和1片BK7的红外滤光片构成，能够达到285lp/mm的空间频率，可匹配1.75m的COMS图像传感器，全视场RMS半径均小于艾利斑半径，全视场最大畸变小于3%，MTF值在1/2奈奎斯特频率处的大部分视场大于0.5，总长度小于9.2mm。整个变焦距系统结构紧凑，分辨率高，成本低，可满足手机镜头光学变焦的要求。

设计了一种可实现电子散斑干涉的大错位方棱镜。将普通方棱镜的一个面磨去一个楔角后变为斜面，该斜面和相邻的一个面镀反射膜，其他二个面镀增透膜。垂直入射的光线经过分光后变成二束光，分别经过平面反射和斜面反射，出射的二束光线就分开了。将该大错位方棱镜置于CCD镜头前，一个物体可以成二个错位的像；相邻的二个物体可叠加成像。错位量由楔角决定，错位量足够大，可实现大错位电子散斑干涉。根据试件大小和成像距离，楔角的大小可选择在1到10之间。对中心加载周边固定圆盘进行了电子散斑载频干涉实验，证明了大错位方棱镜能够高质量地实现电子散斑干涉, 实现位移场测量。

分析了高斯光束照射微粗糙圆柱在菲涅尔衍射区形成的散斑图像统计特性，给出了强度起伏自相关函数与表面曲率及粗糙程度等参数之间的关系。根据强度起伏自相关函数的离散化定义，实验并计算了圆柱轴向与径向结构有差异情况下的散斑强度起伏相关函数。结果表明，对于C1和C2圆柱沿垂直于圆柱轴向的散斑尺寸变长，强度起伏自相关函数沿平行和垂直于圆柱轴两个方向的波动相差较大；对于C3和C4圆柱两个方向上的散射特性基本相同；测量C1和C3的结果表明,散斑尺寸和形状依赖于圆柱表面的皱褶和圆柱表面曲率两个因素。研究结果对于如柱型管道、轴承等方面的机械制造的质量控制有重要的应用价值。

圆柱筒式脉冲均匀光源在各种光学标定中有广泛应用。应用Monte-Carlo方法对光子进行跟踪模拟，通过变权重法和固定权重法两种算法得到出光面接收的相对光照度。当内壁反射类型、光源的位置、圆柱筒的高度与直径比不同时，出光面形成的光照度均匀性不同。通过模拟结果可知，当内壁为漫反射时，圆柱筒长度与直径比越大，出光面的光照度越均匀；但当比值大于3/2时，均匀性已无明显变化。最终得到满足标定实验要求的圆柱筒的最佳结构。

讨论了光电预警探测的意义，对红外搜索与跟踪系统的性能和特点进行了描述、对比和分析。在研究和分析的基础上描述了光电预警探测技术目前国内外的研究状况及发展趋势。

跑道检测通常由边缘检测和霍夫变换2个步骤组成。由于SAR图像中存在大量斑点噪声，使得边缘检测中存在大量虚假边缘，增加了霍夫变换的时间，降低了跑道检测的准确度，提出一种基于区域分割和距离变换的SAR图像中机场跑道自动检测的新方法。采用基于统计信息的方法增强跑道-背景的对比度，然后用二维直方图阈值分割方法分割图像，再通过距离变换对跑道-背景二值图进行处理，得到跑道中心线的大致分布，最后采用局部空间霍夫变换得到跑道参数。实验结果表明：该方法能够可靠检测出跑道，运算速度满足实时性要求。

提出一种提高现有光电观瞄系统成像空间分辨率的新方法。在不改变阵列探测器件像元尺寸和不移动探测器的前提下,利用双光楔的较大移动使像平面发生微小位移，实现对探测器各相邻像元和不感光间隔目标进行微位移采样,提高目标信息的采样率，通过超分辨重建技术来提高系统的分辨能力，达到提高光电观瞄系统空间分辨率的目的。实验结果表明：该方法绕开了微小位移探测器需要克服的技术难题，同时避开了直接减少像元尺寸的工艺问题，且成像分辨率高。

针对尺度变化不明显场景的拼接，提出一种基于特征不变描述的图像无缝拼接算法。利用Harris特征检测算子进行特征点提取，在此基础上对提取出的特征点采用SIFT描述子进行处理，使其具备旋转不变性，然后利用k-d树算法进行遍历搜索定位，并用RANSAC算法进行图像间单应性变换矩阵计算，最后利用加权平均的融合方法进行图像无缝平滑，得到无缝拼接图像。实验结果表明：该算法在图像任意角度旋转的情况下，能有效地实现图像无缝拼接，并具有较强的鲁棒性。

为了估计两个在空间上分离的传感器所接收信号之间的时间延迟，结合小波降噪的特点，提出了一种基于小波降噪的广义相关时延估计算法。鉴于传统阈值降噪的不足，对小波阈值的选取进行改进，研究出一种新的小波阈值降噪技术。该算法克服了传统广义相关法需要信号和噪声先验知识的局限性，放宽了直接互相关法对信号和噪声的假设条件。仿真和实验结果表明该算法在低信噪比下仍能有效估计时延，提高时延估计精度。

干涉图的处理是光干涉计量中的关键技术。采用泰曼-格林型干涉系统，建立被测物与干涉相位之间的数学模型，通过MATLAB软件，实现对被测参数的自动化测量。基于二维快速傅里叶方法的基本原理，提出一种新的相位解包算法菱形种子算法，通过识别1个种子点，然后依次向相邻4点扩展，再把这4个点作为第二批种子点，依次向各自的4点邻域扩展，以菱形轨迹遍历所有的有效信息点，以到达整幅图像相位解包的目的。采用该算法测量薄膜样片的厚度，测试结果与ZYGO测试结果比较，PV误差为0.0364，RMS最大误差为0.003，证明该算法虽然处理的是单幅干涉图，但可以得到高精度的相位分布。

传统信息场参数测量方式只能测量制导始端和末端的信息场参数，无法测量制导过程中信息场参数,不能全面对制导过程中制导仪性能进行准确评估。为解决传统测量方式存在的问题，采用大口径变焦平行光管与精密光栅尺测控技术实现信息场的制导距离测量，通过专用光纤靶标与PIN阵列探测器接收信息场，根据已建立的数学模型对信号处理，从而得到制导过程中信息场参数。实践验证测量系统的指令测试精度达到0.01单位指令，照度测量精度为5%，光轴一致性精度为4.89。

Wollaston棱镜阵列中各个子棱镜的结构角间的误差影响着光谱仪的性能。从干涉图的无缝拼接入手，推导了n元Wollaston棱镜阵列的最大光程差公式，以三元Wollaston棱镜阵列为例，分析子棱镜结构角误差对光谱分辨率的影响，通过干涉条纹光强公式构建干涉图样模型，利用Matlab软件编写相关程序，仿真了630nm单色光的复原光谱，分析结构角误差对光谱的影响。实验结果表明：当子棱镜结构角误差大于10-3数量级时，光谱中将有伪峰出现，为Wollaston棱镜阵列的研制提供了理论依据。

为了实现中药的快速、无损、实时检测和分析，设计了一个中药光谱成像检测分析系统，实现了在计算机上通过控制界面对光谱成像硬件系统中的滤光器和摄像机等关键器件的同步、联动控制，以获取一定波长间隔的系列光谱图像，经过软件的分析处理，得到中药样品的二维特征光谱曲线和空间三维成分分布曲线，实现了中药成分的定性和空间分布的实时检测。

传统的亚像素边缘检测都是先粗定位，再进行亚像素细分，因而运行时间较长。采用了一种基于多项式拟合的快速亚像素边缘检测算法。该算法根据图像的灰度分布，运用三次多项式拟合图像的边缘实现亚像素定位，从而达到较高的定位精度。采用在边缘附近取点，进行亚像素边缘检测，减少了运行时间。仿真实验给出的实验结果证明了该算法的有效性。

为了实现具有全光纤结构和波长可选择滤波器，设计并从理论上计算和分析了一种基于双折射光纤的干涉滤波器。该滤波器具有很好的选频特性，不同的偏振角自由组合使得该滤波器具有更灵活的调节性。该滤波器提高了双折射光纤的使用效率，用12m高双折射光纤可以产生等同于在Sagnac环形腔中用16m同样光纤时的滤波效果。这种高效波长可选择滤波器还具有较好的光频隔离效果，并很容易用光纤或光波导制作出来。

在700nm～900nm波段范围内，用1000℃黑体标定光纤光谱仪(200nm～1100nm)，获得其在该波段范围内的绝对光谱响应函数。通过测量光纤光谱仪对不同色温下卤钨灯的光谱响应，将700nm～900nm波段的响应函数推延至400nm～700nm波段范围，最终得到400nm～900nm波段内的绝对光谱响应函数。光纤光谱仪对不同色温下卤钨灯的5次测量结果表明：在550nm～900nm范围内，所获得的绝对光谱响应合成不确定度小于3.53%。

利用侧边抛磨光纤(SPF)传感器抛磨区对外界折射率敏感的特性，研究了混合有偶氮苯(AZO)和手征材料(ZLI811)的液晶混合物薄膜在紫外光照射下产生的光折变效应。将液晶、AZO和ZLI811等3种材料的混合物涂覆在经过标定的SPF传感器的抛磨区上，制备成混合物薄膜。用UV光照射光敏薄膜导致SPF中传输光功率改变。实验表明：混合物薄膜在UV光照射下有光敏特性，会产生折射率变化，其折射率从1.474变到1.470。这表明此光敏薄膜材料是负光折变材料。这种光敏薄膜材料可应用于制作新型全光纤光控器件和传感器。

利用光波导的耦合模理论分析了长周期光纤光栅(LPFG)的折射率传感特性，给出了LPFG的谐振波长相对于环境折射率变化时的漂移量解析表达式。对LPFG的折射率传感特性进行了数值模拟。结果表明：在光栅周期不变的情况下，当包层折射率小于且接近外界环境折射率时，波长的漂移量增大，且对应的模次越高、包层半径越小、包层折射率越小，波长漂移量越大，即LPFG对应于外界折射率传感灵敏度得到显著提高；当外界环境折射率大于包层折射率时，光栅的谐振波长将近似不变。

演示了两种利用光纤侧边抛磨技术制备的用于醋酸浓度检测的光纤传感器。其中一种光纤传感器采用轮式抛磨法对光纤光栅的光栅区包层进行侧边抛磨加工而成，将醋酸溶液覆盖于光纤光栅的抛磨区，利用侧边抛磨光纤光栅反射峰波长的变化对醋酸浓度进行测量；另一种光纤传感器采用轮式抛磨法对普通单模光纤包层进行侧边抛磨加工而成，将醋酸溶液覆盖于光纤抛磨区，利用抛磨光纤插入损耗的变化对醋酸浓度进行测量。两种光纤传感器的实验都表明：光纤包层抛磨表面与纤芯的距离越小，测量分辨率越高。剩余包层厚度为0m的侧边抛磨光纤光栅传感器测量醋酸溶液浓度分辨率为6.67%；剩余包层厚度为0.5m的侧边抛磨光纤传感器测量醋酸溶液浓度分辨率为0.55%。

利用射频磁控溅射法制备出TiO2薄膜及不同掺Ce比的TiO2薄膜。用紫外-可见分光光度计对薄膜的透过率做了测定，结果显示在一定掺杂范围内随着掺Ce量的增加，薄膜的光学吸收边出现红移。计算发现通过CeO2的掺杂，氧化钛薄膜禁带宽度Eg由3.40eV减小至2.73eV，从而使吸收边由366nm红移至455nm处，增强了对可见光的吸收，这与CeO2在TiO2导带与价带间引入杂质能级有关。

分束器是光纤通信系统中光无源网络和光子集成回路的重要器件。12 MMI(multimode interferences)电光有机聚合物分束器是利用自成像效应设计的。分析了12 MMI的工作原理。利用有效折射率方法(effective index method,EIM) 计算出12 MMI三维多模脊形波导的有效折射率分布。利用自成像效应的成像规律计算出成像位置并用导模传输分析法(guidedmode propagation analysis,MPA)对输出波导的光强进行模拟。分析表明：在波长为1.55m的情况下，12 MMI的输出波导的光强在未加电极时可以实现预定分束比输出；加上电极之后，由于电光效应可调控有机聚合物波导折射率的改变，利用有限差分光束传播法模拟输出波导的分束比可在7.6dB范围内可调。

基于精英保留策略的遗传算法具有良好的全局寻优能力和很强的鲁棒性，基于Levenberg-Marquardt算法的非线性最小二乘法具有快速、高效的局部收敛能力。研究了将这两种算法结合起来求解多层膜光学常数和厚度的可行性和有效性。结果表明：基于两种算法的组合反演算法综合了这两种算法的优点，能以较大的概率、较高的精度找到在实际约束条件下多层膜的光学常数和厚度，特别是在寻找全局最优解方面表现出色。根据全光谱透射拟合法基本原理，应用组合反演算法分别在考虑测量误差与不考虑测量误差两种情况下反演15层规整高反膜的光学常数和厚度，得到了较为精确的薄膜参数。模拟实验表明：此组合反演算法可有效地求解多层膜反演问题，在反演多层膜光学常数和厚度方面具有实际的应用价值。

研究了双视场红外变焦系统的光学被动消热差技术，通过理论分析温度变化对变焦光学系统性能的影响，推导出被动消热差公式。将热离焦和热色差作为两种附加的初级像差引入像差平衡关系式，可通过常规光学系统消像差的4种途径：分配光焦度、有效匹配光学材料、改变透镜形状和引入非球面实现全被动补偿。在此基础上建立了一个通用模型，该系统有6片透镜、一个非球面，在-45℃～+55℃温度范围内的2个视场均具有较好的像质、冷反射和较宽松的公差特性。在该模型中适当引入衍射元件,可减少镜片，提高光学性能。

根据高精度近红外数据采集系统的要求，设计了3套数据采集系统。前两套数据采集系统是针对不同的近红外探测器的特性而设计的，能满足近红外数据采集的高精度要求。最后一套数据采集系统采用直接电流模数转换的方法，不仅简化了采集系统的电路结构，也可以为近红外光谱测量系统的设计提供参考。为近红外探测器数据采集系统提供了3种不同的设计方案，并搭建了模块进行了测试分析，在实践中得出了各种电路的优缺点和应用环境，对工程人员具有一定的参考价值。

根据战场条件及红外材料的性能要求，在研究高吸水/保水材料特性的基础上对开发基于高吸水/保水材料的红外隐身复合材料的可行性进行研究分析，提出以高吸水/保水材料为基底的红外隐身复合材料的两种设计方案并制备出该红外隐身复合材料样板。通过对其进行红外效果评价，结果表明，该材料若作为军事目标的表面材料能有效改变目标的红外辐射特性，降低实验目标的可探测性。

根据目标上实际最大光强与理想合成效果下最大光强的比值定义了合成效果因子,用以评价相干合成效果。在此基础上研究了影响相干合成效果的主要因素，并对合成效果因子的传输特性进行了研究。结果表明：阵列紧密程度对合成效果影响不大，在较小的空间占空比下有可能得到较好的合成效果。影响合成效果的主要因素是随机相位差，当随机相位差增大到一定程度时，光束合成其实已经由相干合成过渡到了非相干合成，得不到预期的相干合成效果；随着传输距离的增大，空间占空比对合成效果因子的影响将进一步减小，影响合成效果的主要因素之一是随机相位差。

根据Walker-星座中相邻轨道卫星的相位差，引入轨道间激光链路连接参数K，建立参考卫星固联坐标系中目标卫星运动方程，得到不同轨道卫星之间方位角、俯仰角和距离(AER)的解析表示式，进而求出AER及其变化率极值的数值解。其中相邻轨道卫星的方位角变化率和变化范围都远大于俯仰角，对激光链路稳定性影响较大；方位角最大变化率同最小距离成反比，在极端情况下会超出激光通信终端跟踪范围导致链路中断。综合轨道间激光链路的稳定性和网络拓扑结构的复杂程度，得出相对连接相位为0是激光链路的低轨卫星星座连接配置方式。

针对全向激光告警系统中SWIRFPA的盲元补偿问题，提出一种基于邻域灰度特性的加权插值盲元补偿算法。阐述该算法的基本思想和原理，根据盲元邻域灰度值的分布情况，赋予每个邻域像元与其灰度值相关的权重，进而完成盲元补偿。从主客观2个角度对补偿效果进行评价。结果表明：与传统的邻域平均法和中值滤波法相比，加权插值盲元补偿算法对全向激光告警系统中SWIRFPA的盲元补偿效果最好，不仅使盲元补偿值与其邻域偏差最小，而且减小了盲元对系统探测的影响，有效提高了系统性能。

为了获得高功率窄脉宽半导体激光，设计了半导体激光器相应的激励单元，论述MOSFET作为高速开关的工作机理，分析基于MOSFET作为高速开关产生窄的大电流脉冲的电路模型。为了使MOSFET开关速度尽可能快，根据前述分析，提出推挽式MOSFET栅极驱动方式并设计了触发窄脉冲的发生电路。当激光二极管接入放电回路时，实验表明：激光二极管输出光的峰值功率可达67.5W，脉宽约为20ns。最后，简要分析了影响光脉冲宽度的因素。

为了研究谐振腔形状变化对激光陀螺中背向散射的影响，基于矢量叠加理论，分析了激光陀螺背向散射源及其对总的背向散射的影响。根据背向散射对顺逆时针光的耦合作用，推导出了总的背向散射系数与顺逆时针旋转光光强的关系式。基于这一关系，设计实验，通过施加电压使谐振腔反射镜到不同位置来改变光腔形状变化，同时测量光强交流量的振幅，得到了总的背向散射系数的变化曲线。通过与仿真结果对比，验证了背向散射的矢量叠加理论。

为提高激光脉冲解码过程的准确性和识别效率，采用神经网络技术对激光脉冲编码解码进行了仿真研究。应用线性神经网络对有规律的编码，如周期型编码和等差型编码，进行了识别。仿真结果表明，对于PCM码，需要约2个周期的脉冲就可准确预测下一个脉冲到达的时间；对于等差型码，需要4个脉冲就可以达到精度要求。然后，应用概率神经网络对伪随机型编码的最小周期进行了识别。仿真结果表明，可以在信息量较少的情况下准确识别此类型编码的最小周期。

大气湍流引起的光强起伏会导致大气闪烁、光束漂移、到达角起伏和波前畸变等效应。多光束发射技术是克服激光大气传输中光强起伏的有效途径之一。以单光束、双光束、四光束以及八光束发射为例，通过计算峰值光强、环围功率半径以及像散参数等光束质量参数，得到单光束和多光束大气传输的光强起伏特性。结果表明：随着光束数目的增加，峰值光强显著增大，环围功率半径逐渐缩小，像散参数也随之减小。说明多光束发射方法能有效地减弱湍流效应对大气激光传输的影响。

通过晶体的吸收光谱和荧光光谱研究了Yb3+∶SrMoO4激光晶体的光谱性能。由吸收光谱得到晶体在976nm有最强吸收，该处的吸收截面为1.7110-20cm2，吸收半峰宽为71nm。由荧光光谱得到晶体的发射峰在1021nm，发射谱带半峰宽为44nm。由倒易法计算了晶体的发射截面，计算得出晶体在1021nm处的发射截面为1.2410-20cm2。通过拟合荧光寿命衰减曲线得到Yb3+∶SrMoO4晶体的荧光寿命为878s。由光谱数据计算了Yb3+∶SrMoO4晶体的激光参数，计算得到饱和泵浦功率密度为4.35kW/cm2，在激光输出波长处净透过所需要激发粒子的最小分数为10.08%，最小泵浦功率密度为0.44kW/cm2。Yb3+∶SrMoO4晶体具有较大的吸收和发射半峰宽，较长的荧光寿命和较低的激光阈值，可成为一种潜在的LD泵浦激光材料，可能应用于飞秒激光及可调谐激光领域。