针对光电系统视场切换问题，提出柔性切换方案，提高视场切换的速度与精度。根据某光电跟踪装置对光电成像系统小型化、轻型化的要求，设计了双视场一体化同轴、共像面光学系统，利用偏振片的起偏原理，将大小2个视场的光学系统分为俯仰偏振和偏航偏振2个光学通道，再利用液晶旋光（0，90两位置）效应和偏振片检偏原理，对俯仰偏振和偏航偏振2个光学通道进行分时选通（即柔性切换）。测试表明，2个光学通道的（柔性）切换时间只有几个毫秒，是机械式切换的1%左右。实验验证双视场柔性切换成像系统技术方案可行，能满足某光电跟踪系统的要求。

为了实现快速、准确地校准机载多光谱光电跟踪设备中多光轴的一致性，设计一种基于卡塞格林式的光轴一致性校准系统。该系统使用卤素灯作为可见光光源，黑体作为红外光源，ZnS玻璃为基底的星点分划板提供无穷远目标，系统通光孔径为200 mm，焦距为1 500 mm，轴上点出射光平行性优于10，满足多光谱多光轴的一致性检测中1的要求。

针对当前曲面菲涅尔透镜普遍存在的加工工艺复杂、面型精度难于控制、制作成本较高等问题，在研究非等厚型平板菲涅尔透镜设计方法的基础上，提出一种中心透镜为球面、外侧环带为倾斜面的等厚型平板菲涅尔透镜的设计方法，给出了具体的设计实例，并进行了建模和光学仿真，模拟结果表明:该菲涅尔透镜设计的光学效率达到90.7%。

为了提高超短脉冲激光的瞄准精度，基于自准直原理提出瞄准装置光学系统。以670 nm光纤耦合激光器为光源,设计指示光准直、扩束光学系统，准直光的不平行度达到3.2，设计焦距为350 mm,相对孔径1/5,离轴量50 mm的主激光离轴抛物面镜，其成像质量达到衍射极限，基于准直束光学系统和离轴抛物面镜，设计可适应670 nm和800 nm两种波长的20和100的瞄准和监测成像光学系统。提出一种小孔准直的安装调试方法，以指示光进行实验验证，结果表明：设计的光学系统成像光斑均匀,其物方分辨率达到4.1 m。　

针对野战无线激光通信中大气衰减和光强起伏问题，分析了大气对激光通信的影响，探讨了多口径发射与大口径接收对大气影响抑制机理，在此基础上，构建了多口径发射和大口径接收试验装置，发射端发射孔径数目可调，接收端光学天线采用卡塞格伦结构，通过在光学天线前面增加不同口径光阑方式，改变天线口径。发射孔径数目增加到4束时，光强起伏方差约为单光束时的1/2,接收口径直径相差1.5倍时，闪烁方差之间相差1.6倍，验证了对大气湍流的抑制效果。根据理论分析与试验结果，对野战激光通信光端机的部分参数进行了优化设计。

从星空图像中提取星点质心是星敏感器工作的重要基础，针对船用星敏感器所获取的星空图像噪声情况复杂的特点，提出一种基于重心法的星点质心精确提取方法。通过块扫描的阈值分割和星象连续性的噪点剔除，引入灰度信息参考的星象提取以及重心法质心坐标计算等步骤，从星空图像中提取星点质心。对于30幅海上实拍星图实验，该方法能够100%提取出至少10颗星点，质心坐标提取精度达到1/20像素，并且可以实现对视频图像的实时处理，满足船用星敏感器的应用需求。

基于超小型P13XM015型TFT-LCD技术的小型星模拟器的工作原理，及其在工程应用中整个系统的设计、制造、加工、调试和检测技术，提出对星间间距采用软件修正以及先分别测量再组合修正的方法，对星等采用使用相适应的仪器星等的方法。采用模块化方法设计了小型星模拟器系统的光学系统准直物镜、模拟星库的编制、坐标转换、位置解算、系统控制软件等。在实验室实现了整个系统的组装，搭建了控制和测试平台，并给出了实验结果。实验结果表明：本系统的星库精度及星位置解算误差12，角分辨率误差23.43。

运动条件下，光电系统在一定积分时间内的成像过程是一个动态过程。因此需要引用动态调制传递函数概念来评价运动对成像质量的影响。通过设计一套动态调制传递函数测试系统，对运动条件下动态调制传递函数的变化规律进行数据处理和理论分析。结果发现高频振动时，随着振幅的增大，对调制传递函数的影响越大，与静态条件相比MTF值下降0.01～0.1；低频振动时，随着振动频率的加强、振幅的增大或积分时间的增长，调制传递函数下降明显，与静态条件相比较MTF值相差0.01～0.5。

为获得高表面质量的PVD改性RB-SiC反射镜，解决实际加工中出现的表面缺陷问题，对缺陷的形成机理及处理方法进行了研究。根据Preston假设设计相关试验，推测表面缺陷是由于PVD改性层中的大颗粒结晶受到较大冲击，从而使大颗粒结晶剥落而非对其产生磨削作用而产生的。试验表明：过高的抛光速度或过高的抛光压力会造成改性层表面缺陷的产生，调整抛光的相对速度及抛光压力等关键工艺参数，可在保持抛光效率的同时有效减少和避免表面缺陷问题的产生。经试验验证，当表面缺陷产生后，通过选择适当的相对速度和抛光压强，改性层去除0.7 m～1 m后，可有效修复缺陷，并且无新的表面缺陷产生。

针对单个光弹调制器((Photoelastic Modulator，PEM))干涉具受到材料本身热、力学的限制，产生的最大光程差小，而多个PEM串联又难以控制，且多个PEM界面的多次反射将使光能大量损失等缺点，提出一种在单PEM上贴全反射膜经过多次反射有效提高最大光程的方法。理论推导分析了不同反射情况对光程差的影响，并得到任意角任意位置入射经多次反射后产生最大光程差的公式与光谱反演公式，且通过COMSOL、MATLAB、ZEMAX仿真和实验验证其可行性。实验选用的弹光晶体为硒化锌(ZeSe)，压电晶体为石英，结果显示实验与理论的相对误差为0.21%，为该方法的工程应用提供了参考。

为了满足机载搜索与跟踪系统的实际使用要求，根据变焦系统的基本理论和成像光谱系统的特点，设计一个滤光片式双视场成像光谱仪光学系统实例。系统采用1/3英寸CCD接收，像元尺寸为6.0 m6.0 m。通过高斯法分析与求解得到初始结构，使用Zemax软件对其优化，实现0.45 m～0.7 m/0.6 m～0.95 m双波段清晰成像，通过轴向移动变倍组完成139.75/32.25双视场转换，在视场切换过程中，F数为5.6且恒定不变。设计结果表明：在各谱段下系统宽视场畸变3.5%，窄视场畸变0.2%，探测器的Nyquist频率50 lp/mm处光学传递函数的峰值均大于0.5，系统的最小后截距大于35 mm，用以安装滤光片轮，满足装配要求。

叙述无光焦度补偿组与次镜重合时的全球面双反射系统的设计，给出利用PW法求解初始结构的基本理论，阐述应用无光焦度补偿组来平衡球面反射系统像差的方法。通过改变遮拦比K和焦点伸出量进行光线追迹，选择出该类系统K和的最佳组合。给出设计实例：系统工作波段=450 nm～700 nm、焦距f=1 600 mm、相对孔径A=1/8、视场角=05，遮拦比K＝0.35、焦点伸出量＝0.1，系统优化后的球差系数 SⅠ=-0.001 207，彗差系数SⅡ=0.000 192，波像差W=0.043 27。

针对无人机自主空中加油过程中锥套跟踪，提出一种均值漂移-卡尔曼滤波(mean shift-Kalman filter, MS-KF) 融合算法。分析了基于均值漂移算法的锥套目标模型、相似性度量、锥套目标定位的锥套定位原理；引入卡尔曼滤波器对锥套运动状态进行预测，将锥套运动信息融合到均值漂移算法中，以保证锥套跟踪算法的稳定性和鲁棒性；给出了MS-KF融合算法用于锥套识别跟踪的流程；搭建了锥套跟踪半物理实验验证系统，分别进行MS-KF融合算法用于锥套跟踪的半物理实验验证及数值仿真分析。实验结果表明：MS-KF融合算法可以对锥套精确定位跟踪，无人机3个轴向的跟踪误差保持在0.3 m的范围内，保证了无人机自主空中加油的顺利进行。

针对灰度投影算法运用于存在局部运动目标的情况下，稳像效果较差并且可能产生错稳这一问题，在分析灰度投影基本理论的基础上，提出一种改进的灰度投影算法：局部运动物体位置估计方法和像素替代法。利用灰度值的改变和像素替代的方法，把局部运动物体去除，再进行稳像处理。通过实验验证，该方法可以解决图像中存在运动物体时发生的错稳情况。比较改进前与改进后的稳像效果，改进后的PSRN（峰值信噪比）提高了1.35。

伪装效果分析是伪装设计和识别的重要环节，为了对高光谱探测下的目标伪装效果进行有效评价，结合高光谱图像光谱分辨率较高的特点，提出了一种基于高光谱特征的迷彩伪装评价方法。在光谱维，分析并提取伪装目标的光谱特征。在空间维，对图像第一主成分进行多层小波分解，提取高频分量和低频分量的比值、水平分量和垂直分量的比值以及低频图像的对比度、相关性、能量、同质性等6个特征作为纹理特征。利用欧氏距离分别计算光谱特征距离与纹理特征距离，最后将二者进行综合，距离越小说明伪装效果越好。实验数据表明：本文的方法可以量化高光谱成像下的迷彩伪装效果，评价客观。得到迷彩雨衣与草坪背景之间的综合距离为1.3225，两者融合效果最好。

鉴于利用彩色视觉装置进行在线测量是颜色测量在工业应用发展的趋势，而光源的光谱分布和相机响应函数与人眼的光谱响应曲线的不一致会严重影响测量的精确性，在人工D65光源和LED阵列光源照明下，利用相同的工业相机获取校正图片，采用多项式回归方法在与设备无关空间sRGB和CIEL*a*b*空间进行校正。实验结果显示在校正前平均色差分别为27.68E和16.09E,人工D65光源照明下获取的图片色差较小，校正后不同光源下获取图片的色度趋于一致，分别为2.56E和2.39E。采用sRGB颜色空间，在校正精度、校正步骤、图片显示等方面都要优于CIEL*a*b*空间。以一幅拍摄的实际图片校正为例，显示了色度校正对彩色装置的重要性。

针对空间遥感图像数据量剧增的问题，提出一种改进的BP神经网络图像压缩方法。该算法利用Levenberg-Marquart算法提高神经网络的收敛速度，利用算法提高神经网络的泛化能力。比较分析了新算法和标准BP算法对同一幅图像进行压缩的结果和性能误差函数。实验结果表明，实验结果表明，标准BP算法在图像压缩比为1/2时，均方误差（MSE）为343.3750；改进后的BP算法在图像压缩比为1/16时，MSE为69.5796，图像压缩比为1/8时，MSE为20.9561，图像压缩比为1/4时，MSE为5.5123。并且利用改进后的算法压缩图像的峰值信噪比均在30 dB~40 dB之间。改进算法已用于实际工程中，满足实际需求。

为了实现对彩色图像的加密，提出一种基于傅里叶变换和非对称密钥加密系统的加密方法。把彩色图像分成三基色分量：红，绿，蓝。然后对这3帧灰度图像的傅里叶频谱进行截取，合成一个目标图像，该目标图像包含了原始彩色图像的大部分信息。对此目标图像的幅度和相位分别用非对称密钥加密系统加密，即实现了彩色图像的加密。 给出了理论分析和计算机模拟结果，实验结果证实了该方法的可行性。

针对传统EM算法存在估计参数不具有最优性，以及在参数估计中需要人工参与等问题，提出一种基于高斯混合模型的改进EM算法。采用无人工参与的无监督思想，获取高斯混合模型对直方图拟合的最优参数组合。实验表明，该算法不仅能够快速地估计模型参量，而且能够给出最优参数，并在图像增强中使细节更明显，对比度更适中。

基于扭秤测量冲量原理，结合激光干涉法差动测量角度的方法，提出一种基于扭秤的激光干涉差动测量微小冲量的方法。介绍系统的基本组成和测量过程，给出扭秤结构设计参数，并对系统参数进行了标定，结合设计参数与标定结果，对系统的分辨率、量程和精度进行了校核，在典型的测量环境下，对激光烧蚀靶材所形成的Ns量级微小冲量进行了测量，给出了典型的测量结果并进行分析。结果表明：所提出的基于扭秤的激光干涉差动测量微小冲量方法，系统分辨率可达10-7Ns量级，测量范围跨5个数量级，最大可以测量10-2Ns量级冲量，测量精度优于95%。

针对直边衍射效应造成的图像边缘退化问题，建立边缘退化模型。从菲涅尔直边衍射理论出发，基于信号与系统理论的图像边缘退化数学描述方法，分析了造成图像边缘退化的原因。通过分析不同光源波长和成像物距下直边衍射强度分布曲线的特点，构造简单函数实现衍射光强分布的近似，进而得到退化系统传递函数；利用退化系统传递函数构造滤波器对获取图像的边缘进行恢复，从而提高尺寸测量精度。实验结果表明：经边缘恢复方法校正后的测量结果误差约为0.02 mm，相对未校正数据的测量结果误差减小0.04 mm，提高了尺寸测量精度。

提出了一种变温条件下红外光学材料透过率测量评价方法。研究内容包括使用准直反射镜将红外光源变为平行光，通过斩波器变为脉冲光，再经滤光片选择波长；使用平面反射镜组与精密温控炉来获得变温条件下的双光路：测试光路与参考光路。使用前置放大电路和锁相放大器对红外微弱信号进行检测，根据两个光路的测量电压计算样品的透过率及透过率温度系数。计算机实现自动控制、采集与相关运算。该方法解决了变温条件下红外光学材料透过率测量中的实际应用问题，使光学材料参数检测从常规检测扩展到高温等极端条件，更接近于材料的实际使用条件，蓝宝石材料在波长5195 nm处，透过率高于10%，温度从室温到700℃的范围内，重复性优于0.2%。

针对雾化场光学全息测量存在干板湿化学处理繁琐、再现像采集耗时的问题,提出光学全息与数字全息联合测量的方法，建立由同轴光学全息、同轴数字全息以及数字延迟信号发生器组成的测量系统，并以双孔直射式喷嘴产生的雾化场为测量对象，利用该测量系统在一次测量中同时获得雾化场的光学全息和数字全息的再现图像，两者具有很好的一致性。光学和数字再现图像相对应的视场范围分别为27.87 mm4.77 mm和27.59 mm6.67 mm，数字方式获得视场范围内单一层面再现像的时间仅为8 s，而光学方式将近1 h。结果表明，光学全息与数字全息联合测量时，通过数字全息的雾化再现图像能够对实验总体效果进行实时评估，提高了雾化场全息测量的实验效率。

为了实现光电经纬仪动态测角精度随机误差的检测，进一步提高光电经纬仪的检测能力，进行了光电经纬仪动态测角精度随机误差的研究。基于布尔萨坐标转换原理，通过严格理论推导，得到动靶标方位值和俯仰值的理论公式。以光电经纬仪的方位角A、俯仰角E以及采样时间t等基本参数为基础，结合动靶标方位值和俯仰值的理论公式，得到A和E的理论真值，再与光电经纬仪测得值A和E进行比较，得到光电经纬仪动态测角精度随机误差。提出一种检测光电经纬仪的动态测角精度随机误差的新方法，为光电经纬仪动态测角精度随机误差的测量提供了新的思路。

针对常见的圆形目标检测，开发了一套基于机器视觉技术的圆孔尺寸测量系统，采用混合噪声滤波、模糊和遗传边缘检测方法从采集的零部件图像中，提取出圆孔图像的边缘，通过插值圆度检测方法，精确测量出圆孔的半径、面积等特征参数。测试表明，测量系统的平均值误差为0.010 5 mm，远远低于人工测量的平均值误差0.027 3 mm，能够满足工业应用中的精确性要求。

针对红外搜索跟踪系统对目标的探测，为提高光学系统在复杂背景下的探测能力，设计了双色红外共口径光学系统。系统工作波段为红外中波3 m~5 m和红外长波8 m~12 m，采用分光型RC系统实现双波段共孔径清晰成像，总焦距为400 mm，相对孔径D/f=1/2，全视场角为2，为了抑制中波的热辐射杂光，对中波系统实现了二次成像，通过红外材料与光焦度的合理分配实现了折反式被动消热差设计。设计结果表明，系统在-40℃～+60℃工作温度下像质优良，能够满足红外搜索跟踪系统的使用需求。

针对单机红外搜索跟踪（IRST）系统探测距离和精度有限，得到的红外图像在杂乱背景和强噪声环境中弱小目标难以检测的问题，采用双机IRST对同时刻同目标区域探测后的图像进行配准融合，融合过程中采用高频基于区域、低频基于像素的多规则算法，提出一种基于小波变换与边缘信息表征的目标检测方法。仿真实验表明，多规则融合算法使图像质量评价指标提高了30%～50%，该目标检测方法可有效剔除虚假目标及滤除杂波干扰，从融合滤波前的7个减少到3个，虚警率降低，有助于弱小目标更为精确的检测识别。

在激光器中，通常泵浦光呈不均匀分布，由此引起介质的增益也相应地出现不均匀分布，导致振荡光通过增益区时其分布发生变化。提出一种计算不均匀的泵浦光分布对于激光器内振荡光模式的影响程度，可以近似获得振荡光对原来场分布偏离的百分比的方法。在此基础上，对准连续运转的三向侧面泵浦激光器进行研究，分析不均匀泵浦光分布对振荡光场影响的规律。结果表明：当泵浦功率增加或谐振腔内损耗增加时，振荡光通过增益区时对原来分布的偏离程度也同时增加，呈单调变化关系;泵浦光不均匀分布对振荡光场的影响，与其沿振荡光轴向上的分布无关，仅仅取决于其在与振荡光垂直方向上的不均匀分布程度。通过计算还获得了此类效应的数量级，在2 000 W泵浦功率条件下，这种影响仅使振荡光偏离理想分布不到4%，而泵浦功率达到6 000 W时这种偏离则高达20%以上。

为了研究曲率半径变化对激光陀螺性能参数的影响，基于谐振腔理论，建立了衍射损耗理论计算模型，通过仿真计算了曲率变化引起激光陀螺束腰的变化，从而导致衍射损耗的变化。从光阑处衍射损耗对陀螺背向散射的影响出发，分析了束腰对激光陀螺性能的影响。通过分析计算得出：当反射镜曲率变化小于0.3 m时，引起衍射损耗变化3%，导致零偏最大变化约0.013；当反射镜曲率变化0.6 m时，引起衍射损耗变化约15%，导致零偏最大变化约0.021；而曲率半径变化大于1.5 m时，衍射损耗变化达30%以上，这将引起谐振腔失谐即无法产生激光振荡。通过改变不同曲率，测量陀螺腔损耗和性能，所得的试验结果和理论计算一致，曲率半径变化对衍射损耗和陀螺性能影响较为显著。

针对激光散射法测量0.1 m~10 m微小球形颗粒过程中，Mie散射理论各参数的分析、计算、最优化选取比较复杂和繁琐，通过收敛速度、折射率和尺度参数测量范围、叠加次数的比较，采用球形粒子Mie散射参量的MATLAB改进算法, 结合MATLAB较强的计算能力和LabVIEW良好的图形化界面，进行LabVIEW和MATLAB混合编程。设计了Mie散射理论参数分析系统，系统实现散射系数的计算,并分别对散射系数与颗粒直径关系曲线、散射强度分布曲线、入射光波长与散射光强关系曲线、颗粒直径与散射光强关系曲线、入射光偏振角与散射光强关系曲线进行分析。通过实验结果和结论对比验证系统可行，且散射系数、消光系数和散射光强的计算结果可精确到小数点后17位，从而达到减少大量计算和编程工作的目的。

针对激光光斑跟踪器接收信号处理系统中常规A/D采样电路对脉冲电压峰值采集的技术要求，设计了一种脉冲峰值保持电路。通过对该峰值保持电路的各项指标进行理论分析，采用宽带宽跨导放大器MAX436设计该峰值保持电路，并对该电路进行了仿真分析与实验研究，得到满足参数指标设计要求的实验结果：对于脉宽50 ns的激光脉冲信号，在输入信号幅度大于100 mV时，峰值保持电路的响应速度2 ns，下垂速率6.0 mV/s，保持精度1.1%。

对于高速光传输，直接检测的光正交频分复用系统（direct detection optical orthogonal frequency division multiplexing, DDO-OFDM）中的偏振相关损耗（polarization dependent loss, PDL）与偏振模色散相互作用，对系统传输带来较大影响。对DDO-OFDM系统中PDL与一阶PMD作用机理和数学模型进行了分析，并通过数字仿真加以验证。结果表明：在PDL与PMD联合作用下，对OFDM信号幅度及相位均产生影响，通过发送导频序列可有效实现信号均衡；由于输出偏振态随频率产生旋转，PMD效应一定程度上缓解PDL所致系统损伤，差分群时延为50 ps条件下，以10 Gb/s的速率在单模光纤传输480 km，DDO-OFDM系统Q值提高约0.8 dB。

根据角速度传感的基本原理，搭建了以高Q光学微球腔为核心敏感部件的角速度传感实验测试系统。实验中通过调制、解调技术得到了光学微球腔的谐振曲线及其相对应的解调曲线，并采用PID反馈控制电路实现了微球腔谐振点的实时跟踪锁定，谐振点锁定精度约为10 kHz。通过对系统提供低、高2组不同的旋转角速度进行实验测试，并对数据进行处理分析，得到系统输出信号幅度的变化趋势与测试转台提供的旋转角速度变化情况相对应的结果。初步验证了高Q光学微球腔的角速度传感效应，为后续深入研究高Q光学微谐振腔角速度传感器件奠定了基础。

为实现对工件表面微观形貌测量系统要求远距离传输、实时在线及非接触测量，同时达到高精度、高分辨力、高信噪比测量，提出基于声光调制的光纤外差法轮廓检测技术，采用外差法可有效抑制随机噪声，提高信噪比，通过原理分析建立数学模型；系统设计画出工件表面粗糙度测量框图；实验测量得出被测工件表面粗糙度，分辨力达到1 nm；讨论了不确定度来源及控制方法，测量精度为1。实验结果表明：外差法、声光调制及光纤测试技术可有效降低噪声、提高分辨力和测量精度。