气动热环境下高速飞行器的光学头罩由于受气动热效应作用，其温度急剧升高，产生严重的气动热辐射效应。为评估气动热环境下高速飞行器光学头罩热辐射对探测系统性能的影响，采用有限光线代表连续辐射的方法，并引入热瞳概念建立了气动光学头罩热辐射传输计算模型并对气动光学头罩自身干扰辐射光线在光学系统内的传输进行了数值仿真，考察了光学头罩温度场为非均匀分布时其自身干扰辐射在探测器接收面的辐照度分布。研究结果表明：由头罩顶点求得的热瞳是光学头罩热辐射能的公共入口，它可将光线追迹的时间减小至追迹全部光线所需时间的十几分之一；根据探测器接受面干扰辐射随时间的变化趋势可知在飞行数秒后头罩干扰辐射将淹没目标信号，气动光学头罩热辐射效应不容忽视。

提出一种高分辨率电子工业用数字化Ｘ射线检测系统的总体设计方案，选择微焦斑X射线源和双近贴式X射线像增强器作为该系统的关键器件，分析了微焦斑X射线源的焦斑尺寸对系统分辨率的影响，并且建立了微焦斑X射线源和双近贴式X射线像增强器自身分辨率及成像的几何放大率对系统最终分辨率影响的数学模型。通过数学模型得出了几何放大率同系统分辨率的关系曲线。设计了光路及图像采集装置，并用VC 6.0完成了实用的X射线图像处理软件，研制了完整的成像系统样机并进行了调试与实验。这种成像系统有效视野可达75 mm，分辨率为160 lp/cm。

在现代工程测量中，由于工程的各项技术指标要求越来越高，相应地对光源也提出了更高的要求。依据晶体双折射和晶体相位延迟对光偏振态的影响以及光的折射角与光振动方向有关的原理，设计了高消光比多偏振态光源系统，并设计测试方案对该系统实现的偏振态和消光比进行了验证。该光源系统通过计算机精密控制电机旋转设计的转盘结构很方便快捷地实现了S偏振态、P偏振态和圆偏振光的输出，并且系统中设计了平移和旋转装置自动控制偏振棱镜，获得了高消光比的偏振光，出射光消光比小于等于510-6。

为了满足仪器的轻量化设计要求，研究了成像光谱仪系统中Sagnac干涉仪的优化设计方法,讨论仪器轻量化设计中干涉仪尺寸与系统前置望远镜倍率的制约关系,通过将Sagnac干涉仪展开为平板玻璃的方法对干涉仪的结构和光路进行分析，根据几何关系推导出Sagnac干涉仪几何尺寸与入射干涉仪的光束孔径和视场角的关系表达式,通过该关系式可以求出干涉仪的尺寸极值和对应的系统前置望远镜倍率大小。以某短波红外光谱仪为例，运用推导出的关系式，计算并给出了优化设计结果。

双组联动型变焦结构是由2个固连在一起的变倍组做线性运动，补偿组做非线性运动的变焦系统，兼有光学补偿和机械补偿两种特点，较易实现大的变倍比，系统长度较短且凸轮曲线较为平缓。求解变焦各组份高斯参数的出发点是保证变焦核能够实现所需变倍比的情况下，各个运动组份的位移之和为零且像面稳定。利用PW法与光学结构参数之间的关系确定各组份的半径和材料，最后利用CODEV软件设计出满足设计要求的初始结构。

配光是LED路灯应用的主要技术问题之一。道路照明要求LED路灯在路面为均匀性良好的矩形光斑，在道路外无污染，无眩光。采用Snell定律和光源扩展度守恒原理确定自由曲面的解析方程，借助Matlab工具，采用差分法求解建立的偏微分方程，得到自由曲面的数据组，用作图软件Pro/Engineer为自由曲面透镜建模，通过计算机仿真软件TracePro进行光路仿真检验设计结果，并对所得结果进行分析。设计一款内表面为椭球面，外表面为自由曲面的LED路灯透镜，实现了路面光照总均匀度0.75，纵向均匀度0.85的效果。

LED灯具通常为阵列式排布的面光源，为实现对灯具光强分布进行准确测量，照度探测器需要距离待测灯具足够远，使得面光源可近似为点光源，该距离即为远场距离。针对目前对远场距离进行规定的多项国家标准相互间不统一，且标准只考虑灯具发光面最大尺寸单一参数等问题，对阵列排布式LED灯具的远场距离进行研究，计算了不同配光分布、阵列排布方式、阵列密度、阵列尺寸下灯具的远场距离，并详细分析各参数对远场距离的影响，给出远场距离设定的建议，为确定阵列型LED灯具远场距离的光强分布的准确测量提供参考。

根据光学自由曲面数学描述复杂，但面形较为平滑的特点，提出一种新的基于子曲面分割和迭代的自由曲面光线追迹方法。通过离散点分割形成子曲面阵列，根据三角形内角和定理确定目标子曲面，对目标子曲面进行切平面迭代完成光线追迹。通过数值仿真，采用所提方法分别对偶次非球面、双圆锥曲面、扩展多项式面和单透镜无像散系统进行光线追迹，并与ZEMAX追迹结果进行比对。结果表明：该方法在离散点采样密度很低的情况下（降低了计算机的内存消耗和运算时间）仍然可以保证光线追迹的精确性，与ZEMAX中光线和自由曲面交点的偏差达到10-3（nm）量级，出射光线角度的偏差达到10-3（）量级。

研究了金属-介质-金属结构在可见光波段的反射滤光特性。该结构由柔性透明基底、金属层、介质-金属纳米光栅结构组成。利用严格耦合波分析法(RCWA)模拟了TM偏振光入射时，亚波长介质-金属光栅的占宽比、周期和厚度等结构参数对反射光谱特性的影响。理论模拟结果表明：光栅的结构参数变化可改变反射波段，进而调节滤光颜色。在此基础上，进一步优化结构参数，得到了基于减色法的彩色滤光片结构，获得了青色、品红色和黄色三原色。该结构的主要优点是，当入射角在0～45范围内变化时，反射光谱谷值位置和反射带宽基本不变。本文所提出的结构特别适合用于反射式彩色显示。

为解决光学系统中普遍存在的菲涅耳反射问题，提高光的透射率，设计了一种二维矩形SiO2光子晶体结构光栅。采用勒让德多项式展开法对该结构在可见近红外波长范围入射光波的透射率进行了模拟计算，寻找到了合适的占空比e、光栅深度h和基底厚度d，使得光栅的透射率在入射角为0～60范围内、入射波长在400 nm～1 200 nm范围内变化时，其透射率的变化相对稳定，透射率的平均值可达到96%以上。

提出一种基于动态特征融合的粒子滤波目标跟踪算法。选择具有互补性的灰度直方图和梯度直方图特征共同描述目标模型，然后在目标跟踪过程中，根据特征对目标和背景的区分程度动态地调整每个特征的置信度，对目标模型进行在线动态建模和更新，从而提高目标模型描述的准确度，并进一步提高粒子滤波算法的跟踪精度。实验结果表明：在对典型场景下的目标跟踪过程中，提出的算法比单独使用一种特征的粒子滤波算法具有更高的跟踪精度和更稳定可靠的跟踪性能。

针对噪声图像，提出一种视觉掩盖效应下的无参考图像信噪比评价方法。采用Hosaka分块思想，利用四叉树分解，取消了Hosaka分块对图像尺寸的限制，分块的大小体现出块内图像的主要频率成分；然后检测各个子块噪声，根据图像的污染程度，计算NRPSNR值。利用LIVE Database Release2图像库中的WN的174幅图像检验NRPSNR与DMOS的相关度，并与MSE、PSNR以及HVSNR比较分析。实验结果表明，该方法总体评价效果优于其他3种评价方法，CC为-0.895 0，SROCC为-0.923 6，OR为0.042 9，主客观评价比较吻合，且对于其他噪声类型同样适用，体现了人的视觉掩盖效应，可以满足对无参考噪声图像进行准确可靠的质量评价要求。

传统的单目标地理定位方法无法适应现代战场态势实时多变、目标数量多的情况。为了提高目标定位效率，在单目标地理定位的基础上，给出一种适用于机载光电侦察系统的半主动多目标定位算法。通过建立初始东北天坐标系、飞机东北天坐标系、飞机机轴坐标系、光电稳瞄坐标系和多目标投影坐标系，同时结合目标相对方位、俯仰角度，得到了一系列欧拉角坐标转换公式，可以同时计算出多个地面目标的经纬度。计算机仿真结果表明：该算法能够对同一视场内的多个目标同时进行定位，即具有多目标定位功能。由于像素偏差增加了坐标转换累积误差，次目标定位精度略低于主目标定位精度。

针对双色中波红外图像特征数目庞大，不易于对其双波段成像差异进行综合分析的问题，提出一种基于统计特征的三级特征选择模型。该模型先对双波段的原始统计特征进行标准化处理，然后根据其在四组双波段图像中的分布，经过显著差异级、一致差异级、特殊差异级的分析，选择出能够满足双波段图像差异分布规律的有效统计特征。在特征选择的基础上，利用局部线性嵌入（LLE）的特征提取方法对有效统计特征进行降维处理。实验数据表明，经该特征选择与提取后的单维特征能够综合反映双波段图像的差异幅度，达到了利用少量特征对双波段差异综合分析的目的。

提出一种车载红外视频快速彩色化方法，利用轮廓特征点跟踪获取每帧物体类别的轮廓区域，采用类别特征色彩对各区域传递色彩。构建各景物样本特征色彩集，以各类景物在自然彩色图像中表现出来的特征色彩作为红外图像中对应景物的色彩；利用改进的高效KMeans方法对红外关键帧进行聚类，得到分割区域，提取轮廓特征点；通过KLT算法跟踪特征点，得到其在下一帧中的位置并同时修正，采用B样条插值进行轮廓复原，得到该帧的各类别轮廓区域；最后将特征色彩按类别赋予各区域，从而给各帧图像着上合适的颜色，实现红外视频序列的快速彩色化。实验结果表明, 该方法与基于运动估计的算法相比可提高近5倍的处理速度，并且能够得到与自然景物色彩较接近的彩色化视觉效果。

针对红外图像对比度低、细节较差，且一般是黑白图像，不适宜于人眼观察，提出一种利用局部线性映射方法（LLE）的红外成像彩色化方法。该方法寻求灰度空间到色彩空间的映射，实现红外图像到彩色红外图像的转变，先将目标红外图像和彩色模板图像转换至YUV颜色空间，分离亮度和色彩信息;然后将目标红外图像的每个像素及邻域像素的灰度值串接成矢量，并均匀从彩色模板图像选取部分像素按相同方法串接成矢量，采用欧氏距离搜索最近邻并计算最佳的匹配系数，经色彩值（即U和V分量）计算将模板图像的彩色传递给目标红外图像后搜索亮度最大值的像素邻域并经自动阈值伪彩色编码处理，突出显示重要目标，得到处理后的彩色红外图像。将算法应用于实验室自主开发的热像仪，算法作用后的红外图像不但有了适于人眼视觉的彩色信息，而且用红、黄等敏感色突出了重点热目标，提高了人眼发现和识别目标的速度，实验结果表明，算法有利于侦察人员长时间的目标观察和识别目标。

为提高空间目标温度的测量精度而进行波段优选方法的探索。建立空间目标温度测量数学模型和波段优选评价函数数学模型，仿真分析探测波段对红外系统的测温灵敏度、温度分辨力和信噪比的影响，实现系统探测波段的优选。仿真结果表明，优选的探测波段为中心波长范围8.0 m～9.6 m，波段宽度60 nm，温度分辨力最高可达到0.06 K，同时可获得大于5的信噪比。结论：提出的方法可以使测温灵敏度和温度分辨力分别平均有8.7%和11.3%的提高。

发动机转子叶片叶尖到开半机匣内壁径向距离是衡量发动机质量是否合格的一个重要指标，其值的大小对发动机的高效安全运行至关重要。利用立体视觉原理、自动聚焦技术和边缘检测算法，设计了一套发动机装配过程中叶尖间隙静态测量装置。该测量装置实现了对发动机叶尖间隙的非接触测量，且操作简单，测量精度高。实验结果表明该套装置测量精度达到20 m。

鉴于红外吸收法检测甲烷气体浓度时，误差的补偿是提高检测精度的核心。通常采用各种差分吸收技术来进行误差的补偿，减少各种干扰。基于红外差分检测原理，设计一种双波长差分甲烷传感器。利用旋转滤光盘控制滤波和光的通过，使测量光和参考光分时通过光路，实现了单光源单光路单探测器结构，消除了光源功率波动、光路损耗以及探测器的不稳定带来的误差，提高了检测精度。实验表明，在0～6%浓度范围内，该传感器最大相对误差小于1%。

现有的激光能量计传感器灵敏度系数都与其所处环境温度有关，在-50℃～70℃的温度范围内，灵敏度偏差较大，直接影响测量结果。为了达到消除环境温度的影响，采取在不同环境温度下对热释型能量计的灵敏度进行校准的研究方法。该校准方法与普通激光能量计的校准方法的不同之处在于对热释电型能量计进行校准时，温度由室温扩展到-50℃～70℃的温度范围。利用环境试验箱，每隔10℃固定一个温度点，进行激光能量的测量实验，得到各个温度点所对应的灵敏度修正系数，再借助最小二乘法建立起各个温度点上能量计灵敏度系数同环境温度的函数关系，从而实现了-50℃～70℃的温度范围内激光能量的准确计量。研制能直接工作于非常规工作环境下的热释电型激光能量计，对解决激光能量测量的外场需求有一定现实意义。

由于光电传感器、数字图像处理、电子元器件等各领域技术的发展，数码相机的成像质量在过去的十年里有了长足的发展。加工成本的下降使光电成像系统在众多领域得到广泛使用，成像镜头和成像系统的成像性能测试和评价也受到广泛的关注。数码相机可以方便地输出计算机识别的数字图像，而数字图像可以用计算机在无人干预的条件下自动处理，这使得数码相机成像质量的客观评测成为可能。在相关标准基础上，研究了数码相机多个参数的客观评测方法与计算方法。在单个参数评测的基础上，用基于属性模型评价的方法综合多个参数，对所评测的数码相机做出一个综合的等级评价和评分。

三维轮廓扫描方法可通过连续扫描透镜表面三维空间形貌，拟合得到其曲率半径值。该方法具有测量精度高、可任意选定测量区域、测量力微弱、对光学表面划伤可忽略等优点。通过实验，研究了三维轮廓扫描法测量透镜曲率半径的精度，并分析了测量区域大小、扫描间距等因素对测量精度的影响。实验结果表明，该方法测量凸、凹球面透镜的曲率半径的相对重复性可达到110-6。

利用图像方差能很好地反映目标边缘信息的特点，提出一种基于方差的K均值聚类红外目标检测算法。利用形态学方法对红外图像进行预处理，运用相应的模板计算得到红外图像的方差图像，利用K均值聚类算法对方差图像进行聚类，从而分离出目标类别和背景类别。实验表明，该算法提取的红外图像中目标信息的兰德指数最高，说明该算法能有效地提取红外图像中目标信息，从而达到目标检测的目的。

针对红外图像行人检测中虚警率高的问题，提出了一种串联组合分类的红外行人检测方法。该方法利用感兴趣区域的宽高比和方向梯度直方图2种特征，采用串联组合方式实现分类识别。实验结果中检测率达到了90.5%，虚警率减少了43.7%，表明提出的方法可有效检测行人同时降低虚警。

颗粒测试在工业生产和科学研究中涉及的领域非常广泛,常用的颗粒粒度及其分布的测试方法是激光粒度测试法，其具有测试精度高、测量速度快、重复性好和可测粒径范围宽等突出优点。CCD传感器有灵敏度高、分辨率高、噪声小和较大的动态范围等优点，其作为激光粒度仪的探测器提高光强分辨率的应用已经很普遍了。为提高测量精度，通过对CCD传感技术的研究，应用图像处理的方法来设计光电探测器，搭建了基于米氏散射原理的激光粒度测试系统。实验结果表明,用CCD传感器采集光散射图像，再对图像进行处理，D50与D10误差在6%之内,D90误差在1%之内,降低了测量的重复误差。

为了更好地解决目前飞行试验中飞机着陆时姿态角参数精确测量问题，基于灭点理论，根据飞机降落过程中机载摄像机所获取到的跑道面影像，提出利用跑道平行线解算飞机姿态角参数的新方法。论述了灭点与摄像机外方位角元素的函数关系，建立了基于灭点几何与直线几何约束条件进行姿态角参数解算的数学模型。试验结果表明，该方法切实可行，能够获得精确可靠的飞机着陆过程中姿态角数据。

随着军用光学仪器的飞速发展，红外光学材料单晶硅广泛应用于红外光学元件和半导体行业，为了满足精密仪器对光学系统的要求，对光学元件的面型精度要求越来越高。针对红外跟踪系统中对高精度单晶硅透镜的加工技术要求，以Ф26 mm的单晶硅透镜为例，通过多次反复研磨修抛和检测分析，并不断优化工艺参数，设计了特殊的夹具，解决了单晶硅表面光洁度问题以及中心偏差难以控制的加工技术难题，并实现了批量生产。经检测，单晶硅非球面面形精度达到0.2 m，表面光洁度达到Ⅲ级以上，中心偏差在1 m以内，各项参数均满足了红外跟踪系统的要求。

数字微镜器件（DMD）的能量利用率对于提高无掩膜激光直写系统的效率十分重要。对DMD在相干光照明下的相位调制特性进行数值和实验分析，发现同种型号DMD在出射0级光垂直于微镜表面角度入射情况下的衍射图样，其光能量分布各不相同，有0级光强占总光强27.2%的情况，也有零0级光强占总光强13.1%的情况，理论计算表明，DMD的微镜偏转角存在1的误差可以使DMD衍射0级的衍射效率在极大和极小之间变化。这一结论对于选择高能量利用效率的DMD有重要参考价值。

采用高热导率碳化硅陶瓷作为吸收体材料，基于厚膜技术制作电热单元，研制了10 mW～1 W电校准准分子激光功率标准器，基于电替代法实现激光功率量值复现，量值复现不确定度达到0.26%（k=1）。在脉冲激光条件下对SiC陶瓷和几种常用的面吸收体材料进行了激光损伤测试，结果显示高热导率SiC陶瓷具有较高的抗损伤性能，设计的锥形结构吸收体在248 nm准分子激光条件下能量损伤阈值为2.2 J/cm2。在多波长下基于积分球系统测量了腔体吸收率，介绍了248 nm准分子激光条件下吸收率测量方法，设计的腔体在几种波长下吸收率大于0.99。基于电校准法实验测量了标准器的光电等效性，灵敏度光电不等效修正因子为1.002 6。

考虑到大气中吸收系数随高度变化，通过内插法得到不同大气模型一定高度下大气的吸收系数，建立序列脉冲激光在地对空垂直传输的热晕模型。通过数值计算方法分析风场渡越时间内脉冲数为2时的序列脉冲在中纬度地区夏季和冬季、热带地区、近北极地区夏季和冬季5种大气模型下的热晕效应。结果表明：当光束孔径为0.25 m，初始功率为200 kW，波形为高斯状的激光束在近北极冬季传输10 km后沿横轴方向光强峰值偏移0.056 9 m，而热带光强峰值强度偏移最远为0.224 m，为近北极冬季时的4倍；脉冲激光在热带传输10 km后的靶面功率仅为15.06 kW，近北极冬季靶面功率为热带的10.5倍。热带地区的热晕效应最明显，中纬度地区次之，近北极地区最弱。激光在夏季传输要比冬季传输的热晕效应严重，而且近北极地区夏季要比中纬度地区冬季的热晕效应更严重。

利用激光二极管（LD）端面抽运Nd∶YVO4激光晶体皮秒三倍频355nm全固态紫外激光器，采用半导体可饱和吸收镜（SESAM）锁模技术及皮秒再生放大技术，对1 064 nm基波采用Ⅰ类相位匹配Li3B3O5（LBO）晶体二倍频和Ⅱ类相位匹配LBO晶体三倍频，获得了稳定性好、倍频效率较高的355 nm紫外激光输出。当二极管泵浦功率为5 W时，获得了脉宽为17 ps、重复频率为1 Hz、单脉冲能量为129.6 J的稳定三倍频紫外激光输出，基频光到二倍频光和三倍频光的转换效率分别达到60.3%和16.6%，3 h输出单脉冲能量的抖动在0.58%以下。

多波长转换对于增强波分复用光网络的灵活性具有重要意义。基于光子晶体光纤中的多四波混频原理，实现了410 Gbit/s全光波长转换，深入调查了泵浦功率、光纤长度、信号光与泵浦光偏振失配对波长转换信号质量的影响。结果表明：当泵浦光功率从6 dBm到20 dBm增长的过程中，转换信号Q因子随泵浦光功率增大而增大，最大为82.01，光纤长度从50 m到120 m变化过程中，转换信号Q因子最大为57.41，而随着信号光与泵浦光偏振失配角的增大，转换信号Q因子逐渐降低，当失配角大于60后，转换信号质量急剧下降。

在分布式光纤传感系统定位中，传统时延估计算法常由于噪声相关性较强而失效。采用一种削弱相关噪声的改进型广义相关法，并针对系统特点，为进一步改善分布式光纤传感定位的准确度与稳定度，提出了一种先对数据按事件信号进行分帧，再采用卡尔曼滤波器对分帧时延估计结果进行跟踪的时延估计方案。系统仿真实验与实际数据测试结果均表明：提出的时延估计方案能够有效抑制强相关性的噪声，提高时延估计的准确度与稳定度。经大量现场测试，本文的方案能够有效地将时延估计误差稳定地控制在0.2个采样间隔以内，能够满足系统实际定位精度要求。

级联长周期光纤光栅的透射谱具有干涉峰的振幅大、谱型丰富等优点。利用传输矩阵法分析了级联及相移长周期光栅的光谱特性，研究了级联光栅间距、位置和相移对光栅谱的影响，并对级联及相移长周期光栅谱进行了比较。结果表明：两者光谱特性在光栅间距长度与光栅周期之比较小或级联位置靠近光栅两端时具有较强的一致性。对相移长周期光栅而言，当引入多个相移时，两个主阻带间的通带宽度随着引入的相移个数的增多而逐渐变宽。