根据中国宋标准节点望远镜系统要求，设计了用于望远镜波前误差测量的夏克哈特曼（S-H）传感器光学系统。从望远镜衍射极限成像和观测星等要求出发，对S-H的采样点数选取和波面重建精度进行分析计算,根据所选微透镜阵列和宋望远镜光学参数进行S-H准直镜的消像差设计，采用两组双胶合透镜实现了480 nm~680 nm波长范围的系统衍射极限成像。设计的系统能够实现6等星的目标测量，测量精度0.05。根据设计结果搭建了实验系统，对主镜初始状态和校正之后的波前误差进行了测量，并将S-H测量结果与4D干涉仪测量结果进行了比较。实验结果表明：所设计S-H系统测量精度0.008 m（RMS），能够满足宋望远镜的技术要求。

针对目前定心仪精度不高、并依赖于人眼的现状，提出一种基于PSD的高精度定心仪研究方法。采用自准直光路形式和位置敏感探测器PSD对经过被测目标返回的光斑实行定位，并通过读取计算机上的坐标值来判断是否达到准确的定心。文中对定心仪的光学系统进行设计，并运用神经网络的训练来校正PSD的非线性，在测量范围2 mm~500 mm内定心精度达到1 m的设计要求。

为了满足可见-近红外波段太阳光谱的高精度观测需求，对使用细分光谱技术进行太阳直射辐射观测的新型太阳光谱辐照度仪，开展了辐射定标方法的研究。使用光谱辐照度标准灯在400 nm～1 050 nm光谱范围内对仪器进行相对定标，对满足比尔-朗伯定理的波段采用Langley法进行绝对定标，在整个光谱范围内将辐射基准溯源到大气层顶的太阳光谱辐照度。在甘肃敦煌和安徽合肥两地进行了室外比对实验，仪器观测结果和MODTRAN4.0模型的理论模拟结果一致，和CE318的4个气溶胶观测通道的结果偏差在5%以内，验证了该定标方法的合理性。

为了对控制系统稳定性能和扰动隔离能力进行分析，对二级稳定系统进行了建模和控制器设计，仿真结果显示，系统速率稳定回路带宽提升至200 Hz，1 Hz位置隔离度提升至-90.1 dB。在实际系统中，采用位置敏感探测器（PSD）测量瞄准线的运动，隔离度测试实验结果显示1 Hz位置隔离度提升至-73.1 dB，提升约20 dB，测试结果证明:二级稳定技术能够显著提高系统的稳定精度。

机载侦察设备对目标定位时受到的影响因素较多，目标定位数据中存在的系统误差和随机误差会影响定位结果。提出采用圆概率误差处理目标定位数据时，需分析判断圆概率误差的不同适用条件。根据圆概率误差的定义和圆概率误差方程式的一般形式，推导了6种不同适用条件情况下的圆概率误差简化计算公式。用两种圆概率误差简化计算公式对某目标定位数据进行了对比计算分析，在采用适用条件下计算公式的数据处理精度优于0.95，达到了CEP定义50％的数据概率要求，能够准确分析处理机载侦察设备的目标定位结果。

提出一种能够高速选通工作的三代微光像增强摄像系统（ICCD）。采用三代像增强器，设计了光阴极选通控制电路，使ICCD系统能够高速选通成像；通过分析、比较，设计了双高斯复杂化结构的中继镜头耦合方案，获得了高透过率、高调制传递函数（MTF）的图像耦合性能。采用数字CCD、数字图像采集卡及其集成的图像处理硬件，编写了相关处理软件，使ICCD系统的图像能够快速呈现。结果表明:设计的三代选通ICCD具有3.3 ns选通门宽，空间分辨力达到600 TVL。

针对尾流气泡成像存在的难点，采用片光源切片扫描与高速摄影相结合的技术手段，研制了一套水下激光成像系统。该系统采用激光片光照明，避免了尾流区气泡图像层叠；设计了3组倍率可切换镜头，实现了对大动态范围（10 m～500 m）粒径小气泡的成像；将镜头分成前后组，以平行光中继，通过片光与前镜组的同步移动，可实现尾流区一定体积内气泡图像的采样，同时还能保证扫描过程中始终成像清晰。此系统通过在海域进行试验，放置深度为5 m，气泡由目标船产生，产生气泡粒径范围10 m～2 000 m,结果表明，系统成像效果良好，满足项目技术要求。

为了实现多色温、多星等并且色温和星等都在系统中实时可调节的功能，提出设计一款新型的星等及光谱可调节的单星模拟器系统。系统采用氙灯及卤钨灯作为光源，将光源分为多束窄带光谱，并且对每一束窄带光谱的光强和光谱进行调节实现对黑体光谱范围及色温的模拟。当具有不同光谱特性和色温的光源进入星等调节器时，采用与波段光强控制器不相互干扰的调节方式，只对光源的光度即整个光源的能量进行衰减控制达到星等调节。在实验室实现了整个系统的组装，搭建了控制和测试平台，并给出标准星等光度与各个色温情况下实测星等光度对照结果。

椭球面聚光镜是太阳模拟器设备的重要组成部分，其能量收集的效率决定着太阳模拟系统的能量传递效率，而太阳模拟器光学系统中的椭球面聚光镜参数一直没有理论上的设计依据，结合氙灯的发光特性并通过对MATLAB 中建立的椭球面聚光镜聚光过程数值分析模型给出了椭球面聚光镜包括第一焦距、最大成像放大倍率、包容角范围及前后开口直径的确定依据，并通过在Lighttools 中建立的4种仿真模型验证了理论分析的正确性。第一焦距由光源光中心高确定，最大成像放大倍率由光学积分器相对孔径及椭球镜包容角范围共同确定，椭球镜包容角范围不小于30～120，前开直径口由椭球镜的最大孔径角确定，后开口直径由最小孔径角和光源的径向调节量共同确定。该结论给椭球面聚光镜的设计提供了理论支撑，有利于设计完成高能量收集效率的椭球面聚光镜。

为了解决太阳模拟器辐照均匀度问题，设计一种可以明显提高太阳模拟器辐照均匀度的正方形光学积分器。根据太阳模拟器以及光学积分器的组成与工作原理，对正方形光学积分器各光学参数进行理论设计，并且分析积分器像差对工作面均匀性的影响。利用Lighttools软件对太阳模拟器系统进行仿真，提出了投影镜离焦改善辐照面均匀性的优化方法。设计的积分器可使太阳模拟器在200 mm200 mm正方形辐照面内的辐照不均匀度达到1.72 %。

鉴于空间目标的光散射特性对目标的探测、跟踪与识别等空间突防技术具有十分重要的应用价值，利用双向反射分布函数（BRDF）将光辐射的入射照度和目标的散射亮度联系起来，结合目标的几何建模与轨道理论，计算出某时刻在东北3站观测风云卫星可见光散射亮度变化情况, 其峰值随时间依次达到或接近于7.510-3 W/cm2sr,而新疆阿勒泰散射亮度在东北3站达到峰值时只有3.7510-3 W/cm2sr,得出东北3站点卫星光散射亮度趋势相似，只是由于纬度差异使变化趋势在时间上有所延迟，而在与之经度有很大差别的新疆地区的阿勒泰站点的亮度变化趋势则有很大不同。该方法已经在获取空间目标更多信息选择多站观测中取得应用。

为比较光学图像加密中随机模板的特性，分别利用随机相位模板和随机振幅模板对几种典型的光学图像加密系统进行了光学图像加密的数值模拟和加密效果分析。模拟结果表明，将随机振幅模板用于基于光学傅里叶变换的双随机模板图像加密系统时，原始图像和加密图像的相关系数大于0.5，不能有效加密原始图。但将其用于基于菲涅耳变换全息的光学图像加密系统时，原始图像和加密图像的相关系数趋于0，可获得与使用随机相位模板时非常接近的加密效果。

针对传统对数极坐标变换局限于跟踪圆形或类圆形尺度变化目标这一问题，提出一种基于椭圆对数极坐标变换域下目标匹配的尺度变化目标跟踪算法。算法利用Mean Shift进行空间定位，确定目标的形心，通过椭圆对数极坐标变换域中目标和候选的最大相关匹配系数来确定目标的尺度参数。实验结果表明：该文算法在目标小形变和光照变化条件下，跟踪误差较小，尺度跟踪准确率更高，具有较好的鲁棒性。

波段选择是高光谱降维的常用手段，文中从波段选择应遵循的3个原则出发设计了一种基于信息散度与光谱可分性距离的波段选择算法。将高光谱数据中每个波段的光谱分量看作一个一维向量，使用K-L散度表示其相互之间的信息量，选出信息量大且相似性最小的波段组合；根据每个波段中不同地物光谱可分性距离的计算，得到可分性较大的波段组合；将两组波段组合取交集，即得到最优组合波段。为了验证算法的有效性，将选出的最佳3个波段进行伪彩色合成，对其进行光谱角制图分类，分类精度达到92.2%，Kappa系数为0.88.

证实了一种使用参考光波的光学联合相关变换加密系统对于选择明文攻击的脆弱性。在该加密系统中，通过选择一个透过率为零的特殊明文图像，记录其对应的联合功率谱，之后再通过遮挡输入面获取参考光波强度、遮挡参考光和明文获得加密密钥的傅里叶变换强度，根据获得的3幅图像，攻击者可以准确地获取加密所用的密钥,进而可以恢复出原始图像。理论分析和计算机模拟结果均证明所提攻击方法的有效性。

提出一种新的光栅条纹投影轮廓测量术系统标定模型，新模型不要求投影装置和成像系统的光心连线与参考面平行、成像系统的光轴垂直于参考面及投影装置和成像系统的光轴相交。基于该模型得出了新的相位高度映射关系，其待定系数与成像点的坐标无关。实际测量中只需2个高度不同的标准块便可以求得待定系数。对4个标准块进行高度测量，得到的最大相对误差为0.6%。实验证明:该标定方法简单有效，提高了系统标定的可操作性和测量精度。

为了解决高精度光学反射镜的子孔径拼接检测问题，基于最小二乘拟合，依据拼接算法建立数学模型，编制了拼接程序，同时对口径为120 mm的平面反射镜进行了拼接检测。检测中，基于标记点确定子孔径间的相对位置，完成子孔径间的对准。分别基于全口径检测结果与自检验子孔径测试结果对拼接结果进行精度分析。实验结果表明：拼接结果无拼痕，拼接结果与全口径测试结果、自检验子孔径测试结果一致; 拼接结果与全口径面形测试的PV值与RMS值的偏差分别为0.020 与0.002 ，验证了检测的可靠性和准确性。

为实现能见度计算中消光系数的正确测量，论述了光源平行度在能见度测量中的重要作用，设计了探测光束发散角检测方法与测量装置。该装置包括定焦成像系统和移动光源的直线系统，利用成像关系与空间几何关系推导了发散角表达式。以紫外LED作为实验光源，设计完成了测量系统成像装置与控制软件，计算得到水平方向与垂直方向发散角，利用所得发散角分析探测光束。实验结果表明，紫外LED光源的光束发散角水平与垂直方向分别为7.8和6.9，经比较得到未加入平行度的能见度与加入后的比值为0.51。该方法测得的能见度值更接近于实际值。

提出一种基于弹光调制器（photoelastic-modulator, PEM)的复色光偏振光谱的傅里叶测量方法，被测光经过0(-45)弹光调制器调制，通过45(0)检偏器并由探测器探测调制后形成干涉信号，对干涉信号进行傅里叶变换，由所得结果实部和虚部得到被测光Stokes矢量中的S1、S2和S3的光谱。该方法降低了偏振光光程测量的复杂度，给出理论推导过程，并结合仿真结果与理论结果对比，证实了该方法复原后的偏振光谱与原始光谱可很好地吻合。

针对现有的天幕靶幕面空间位置参数检定方法需要拆卸的不足，提出一种不拆卸天幕靶对其探测幕面位置检测的方法。以经纬仪建立基准面，采用放置在基准面内特制的频闪小光源和设定天幕靶输出阈值的方式，根据小光源作用在天幕靶上有信号输出时平移台相对基准面的移动距离，实现天幕靶幕面空间位置参数的检测。将天幕面相对基准位置倾斜2、-2、-5时，所测幕面倾斜角度与实际幕面倾斜角度间误差均小于1，试验结果表明天幕靶幕面位置检定方法精度优于1，与理论分析相一致。该方法不需要拆卸天幕靶，节省了时间，能用于使用中天幕靶的检定。

采用虚拟仪器技术，设计了基于LabVIEW软件平台的热释电IRFPA（红外焦平面阵列）非均匀性校正系统。该系统可通过控制面板选择校正算法，选取3种不同的标准像元的标准校正曲线。可以对IRFPA待校正的像元输出进行采集,对非均匀性参数进行测试，还可以进行非均匀性校正。系统通过三维波形以及图像的显示来观察校正前后对比，并能计算出校正前后的NU（非均匀性）值大小。对像元数为120160的热释电IRFPA输出的视频信号进行了非均匀性校正实验，对非均匀性校正算法进行了统计对比，对仿真结果及数据进行了分析总结。经过校正实验验证了系统的可行性，结果证明基于平均值法的两点定标算法对热释电IRFPA非均匀性校正后的NU值是最小的。通过统计数据得出校正后的NU可平均下降30%。

在现有近红外检测技术的基础上，设计了一种基于近红外的煤粉发热量检测系统。选取100个煤粉样品建立煤粉发热量的近红外模型，利用验证集的50个样本对模型的精度和稳定性进行了验证分析，结果表明：煤粉发热量的预测值与真实值的相关系数达到0.995 8，相对偏差小于2%。系统具有良好的预测精度和稳定性，能够满足对煤粉发热量的快速检测的需求，而且该系统体积小、结构简单、操作方便，具有很好的可移植性。

鉴于光学零件高陡度凹曲面的抛光是光学加工的一个难题，轮带光学确定性抛光方法是解决此类零件抛光的有效方法之一；提出轮带光学抛光技术的原理和方法。研究了轮带光学抛光方法修形的可行性，采用五轴精密数控机床系统对一块直径Ф80 mm的K9玻璃平面样镜进行了修形试验，经过3次迭代修形使其面形精度均方根误差（RMS）由初始的0.109 提高到0.028 ，平均每次收敛率达到1.3。实验结果表明，应用轮带光学抛光技术进行光学镜面修形，面形收敛速度较快，加工精度较高。本实验验证了轮带光学抛光技术的修形能力，为高陡度光学零件的抛光提供了研究基础。

基于几何光学与辐射照度理论，对菱形、环形和蜂窝状等3种典型LED阵列光源在近场上的照度分布进行研究，推导了不同阵列光源照射到目标面上的总辐射照度表达式，并依据斯派罗法则确定了LED间的最优化距离。进而根据照度公式，对LED阵列进行了仿真和对比分析，得出了不同阵列的光照度分布特点。菱形阵列可以得到较大范围的平坦度，环形阵列的平坦范围较小，能量集中分布在一个圆形范围内，有良好的集光效果，蜂窝状阵列的照度比较集中且占用的面板空间较小，可在一定程度上降低设计成本。

对某LED灯开展了空气导流技术的散热设计，进行了有、无空气导流散热条件下的仿真分析，针对热分析模型进行反复修正迭代，得到了准确的仿真结果。仿真分析与试验结果表明，在有空气导流散热的情况下，LED灯的结温较无空气导流散热时降低约8℃，LED灯的使用寿命可延长2 000 h。进一步研究发现，基板下表面的发射率、接触热阻以及LED与对流孔之间的距离等因素对LED灯的散热均有影响，最终对各个影响因素进行灵敏度分析，给出了降低结温的几点建议。

风云二号卫星扫描辐射计为视场分光方式的R-C光学系统，视场外的杂光掠过次镜穿过主镜孔直接混入信号光路照射在焦面上，形成直射杂光。为了消除该直射杂光，使用TracePro软件对辐射计模型进行正追和倒追，都追到了直射杂光的存在，利用Zemax软件仿真找出了该直射杂光的形成机理，并计算出该直射杂光域。根据仿真和计算，设计了可以透信号光阻挡杂散光的叶片状次镜遮光罩。软件仿真表明：百叶窗式遮光罩可以彻底抑制该区域可见直射杂光，积分球实验也验证了该百叶窗式遮光罩可以降低辐射计95.2%的可见杂光。

为满足红外热像仪MRTD野外在线全自动检测要求，设计了一种新型MRTD检测方法。硬件采用单黑体温差控制技术，在减小检测设备体积质量的同时保证了黑体目标与环境背景的温差控制精度，采用串口通信控制与CCD图像采集处理等技术有机结合实现温差控制及图像采集处理的协调统一；在软件上采用优化的处理算法精确地提取目标及背景区域，并利用不同温差下目标与背景区域的灰度差计算出被测热像仪MRTD参数值。经实验检验，该结果与人眼观测所得结果误差在002℃以内，研制出的检测设备具有结构简单、体积及质量小、操作简便等优点。

研究了一种低成本折反式红外系统的光学被动消热差技术，通过理论分析温度变化对二次成像系统性能的影响，在次镜上采用曼金折反镜，将热离焦作为附加的初级像差引入像差平衡关系式，通过常规光学系统消像差和热差4种途径（分配光焦度、有效匹配光学材料与镜筒材料、改变透镜形状、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，在-45℃~+60℃温度范围内的MTF在17 lp/mm时达到0.5以上，冷反射等效温差在0.52℃以内。

飞秒激光微加工作为一种新型微纳制造技术，在复杂三维构型制作方面具有其独特的优势，但激光加工效率问题严重制约了飞秒激光微加工技术走向实际工程应用，提出一种飞秒激光湿法刻蚀微纳制造方法,以提高飞秒激光微加工的效率为突破口，通过调控激光与物质相互作用获得材料的目标靶向改性，进而结合化学湿法刻蚀实现硬质材料上的高效和高精度三维微加工，采用这一方法制作出的微透镜尺寸为80 m，球冠高6.7 m，表面粗糙度小于10 nm。利用这种方法，实现了不同结构与特性的高质量微透镜阵列的超精密制备，在石英内部也实现了螺旋微通道的复杂三维结构，螺旋通道直径为20 m，长径比超过100。

曲率半径是球面光学元件中的重要参数之一，曲率半径的高精度测量已经成为光学元件使用与加工中的一个关键问题。提出了基于差动共焦法的曲率半径测量方法，研制了1套激光差动共焦曲率半径测量系统，并对2组曲率半径测量结果进行不确定度评定。结果表明，2组曲率半径的测量值均与标称值吻合，其相对误差为0.001 15%，两组测量数据的标准不确定度均优于3.211 1110-4 mm。

介绍了利用沉积在增透镜上的石墨烯薄膜作为可饱和吸收体、808 nm激光二极管端面泵浦Nd∶YVO4晶体的1 064 nm连续锁模激光输出特性。采用W型折叠谐振腔结构，在808 nm泵浦功率为8.0 W时，有稳定的连续锁模脉冲输出，平均输出功率达到185 mW；当抽运功率增加到16.0 W时，获得了中心波长1 063.4 nm、脉冲宽度为518 fs、重复频率为66.7 MHz、最大平均输出功率为323 mW的百飞秒量级超短脉冲激光输出。实验结果表明：石墨烯具有优良的可饱和吸收性，在1 064 nm波段能够实现高功率、百飞秒量级连续锁模脉冲激光输出。

为了对比激光对CCD、CMOS两种图像传感器的干扰效果，利用1.06 m高重频激光开展了对CCD、CMOS两种相机的饱和干扰实验研究，分析了两种相机在干扰有效面积、饱和干扰面积、干扰前后图像相关度等与激光入射功率之间的关系。实验结果表明:CMOS相机达到单元像素饱和的激光功率阈值是CCD相机的20倍；要达到相同的干扰有效面积，所需的激光功率CMOS相机要大于CCD相机10倍～100倍；要达到相同的饱和像元数，所需的激光功率CMOS相机比CCD相机约大10倍～60倍。因此，CMOS相机要比CCD相机具有更好的抗1.06 m激光干扰能力。

针对石油测井中流量是确定石油生产和传输特性极其重要的参数，提出一种非浸入式光纤干涉仪流量测量方法。在油管外壁紧密缠绕传感光纤，当流体流过管壁时可由湍流产生振动，引起管壁的动态压力变化，导致传感光纤内的传输光相位发生变化, 通过检测光相位的变化就可以获得相应的流量。在实验中找出管壁的振动频率特性，在此频率特性范围内确定出由湍流诱发的管壁振动加速度脉动值的标准方差与平均流量的量化关系，实现了5 m3/h~50 m3/h流量实时在线测量。