基于激光诱导荧光（LIF）原理和弹性散射作用于非球形粒子上形成的偏振特性，设计并研制由3个激光波长、2个接收望远镜、退偏组件和荧光光谱仪等组成的生物战剂/气溶胶Mie散射、荧光和偏振激光雷达。退偏比的水平测量结果表明：1） 退偏比表现出较强的波长依赖性；2） 多波长退偏比测量可以显著提高生物战剂的鉴别能力。退偏比的垂直测量结果表明：气溶胶在边界层内总体上维持在较低的水平，在温湿压风等气象条件和光生化条件的作用下，对流层底层空变化明显，在部分云团处，退偏振比可达0.3；气溶胶的Mie散射时空分布表明，355 nm波长的测云能力在激光出射能量相当时较532 nm强。

光不仅是维持生命活动的主要能量来源，也是一种有效的信息载体。阐述了光作为载体与信息之间的密切联系，讨论了海森堡不确定性原理对信息的解释，即每一比特信息都对应着一个光量子，受限于所在的信息元，并且与熵的消耗相关。分别给出了满足不确定性原理条件以及超出该限制时的例子，从而证明了时间和频率的分辨率不能被同时观测，但成像仍然可以在确定性条件的限制下获得。

为了扩展空间多普勒激光雷达地面散射信号的应用范围，采用多个机载多普勒激光雷达飞行实验数据，对地面散射信号的强度、海拔高度、速度等特征进行了数据分析，并利用地面散射信号与上层大气信号强度的比值，可以等效体现地面反射率特征，即地面散射信号解算的海拔高度与数字海拔高度模型数据相吻合，两者平均值偏差小于20 m，标准偏差小于100 m；使用地面散射信号实现飞机速度校正，与使用飞机平台数据解算的结果具有较好的一致性，采用直接探测手段时，标准偏差小于1.5 m/s，采用相干探测手段时，标准偏差小于0.5 m/s，验证了利用地面散射实现空间平台速度校正的可行性。另外，针对云散射信号的存在和影响，提出了一种利用海拔高度数据比对的方法，实现云散射和地面散射的识别。

光阱刚度是描述光镊对粒子进行操控的重要力学指标，实际使用过程中会受到激光功率的影响。采用均方位移法及玻尔兹曼统计法对搭建的光镊系统进行光阱刚度的标定，利用图像采集方法进行微粒位移的测量，并对两种方法的测量结果进行了比较。为了提高光阱刚度的标定结果的准确性，分析了光路放大倍数、温度变化对最后标定结果的精度影响。结果表明，两种方法进行标定的结果基本相同；光阱刚度在低激光功率（1 mW ~20 mW）范围时随功率近似线性增加，在高功率情况下（25 mW~60 mW）随功率增加不再线性增加，而是趋于一个饱和值。此外，光路放大倍数标定的精确性对标定的精度影响较大，10%的相对误差时，标定结果产生23%的变化，温度对标定的精度影响较小，0.1 ℃的温度变化导致标定结果0.034%的变化。

提出了一种可以实现红外全景环形光谱成像的新型傅里叶变换成像光谱仪结构，该成像光谱仪以共焦双曲反射镜组作为全景环形集光器，利用Schwarzchild物镜进行准直，结合弹光调制干涉仪，成像透镜组以及HgCdTe红外焦平面阵列构成。介绍了全景环形成像傅里叶变换光谱仪基本工作原理及成像特性，讨论了双曲面反射全景环形集光器和Schwarzchild物镜准直器等各光学结构的设计方法，并给出了设计结果及优化方案。最后，采用Zemax光学设计软件对系统进行了光线追迹和优化，结果表明，成像光谱仪工作在8 ｍ~12 ｍ波段，有效焦距为-0.67 mm，侧向视场为40~80，F#0.9，像点弥散斑RMS半径为20.116 m，在一个像元直径内，MTF在16 lp/mm处均高于0.5，且各视场一致性较好，OPD像差在0.4范围内，成像质量良好。

在微光ICCD参数校准装置中，为了获得分辨力、信噪比、最低照度及像面均匀性等参数测试中光源输出不同光照度，需要大动态范围积分球微弱光均匀光源。通过对传统的光源结构以及存在的局限性进行分析，根据微光ICCD综合参数测试中对光源照度的不同要求，设计了弱光均匀漫射光源系统。光源系统采用双积分球模式，利用楔形渐变光阑及可变孔径光阑实现在色温恒定下照度的连续变化，形成不同照度范围的均匀漫射光源，对微光ICCD参数校准装置的弱光均匀漫射光源照度输出范围及均匀性进行了测量，得到该光源的出射光照度范围为（10-7～103）lx，出射光照度均匀性优于98%，光源满足微光ICCD性能参数测试的要求。

为对室内不拆装情况下大型或整车上的多谱段光电装备进行光轴平行性检校，设计了大尺度多光谱多光轴平行性检校系统。系统采用一个多光谱平行光管提供多个谱段的无限远目标，通过二维移动平台实现平行光管的室内大跨度移动。利用倾角传感器、双线阵CCD测量系统和姿态调整机构来恢复和保证平行光管移动前后的光轴平行性，实现室内分布在车体上不同轴距不同谱段光电装备的光轴平行性进行统一检校。系统设计方案和误差分析结果表明：该系统平行光管移动前后的光轴平行性总误差小于0.142 mrad，在提高检校精度的同时还大大减小了光轴平行性检校的工作量；各分系统中倾角传感器和姿态调整机构误差对系统总误差贡献最大，通过选用更高精度的分系统还可进一步提高系统的总体精度，满足更高精度装备的光轴平行性检校要求。

通过分析两步法制彩色全息图中全息图空间带宽积与物体大小、全息图记录距离的关系，提出了一种拍摄大尺寸物体彩色全息图的方法。经编码，设置参数，在视窗处平面记录下三分色全息图, 以保证用最小的幅面记录下物体的完整信息，并且H1rgb处于同一平面经原参考光的共轭光再现时，他们的再现像能完全重合;将H1rgb再现，获得大视场的物光波信息，三基色物波信息重合后，用光学方法记录大幅面的彩色全息。该方法能提高全息图再现像的视场和解决大尺寸物体的全息图难拍摄问题。 经实验验证，该方法能将全息图再现像的视场提高6倍左右。

电子清刷是提升MCP性能的有效手段，鉴于目前国内的清刷测试系统只适用于直径30 mm以下的MCP，设计了一套4工位大面积MCP（500 mm100 mm）的清刷测试系统。该系统4个工位均可实现对大面积MCP的电子清刷，且其中一个工位兼具测试功能，可以测试清刷前后MCP的参数变化，清刷测试工位可实现相互转换。通过均匀紫外光照射金阴极产生均匀电子再经标准MCP（105 mm）倍增后得到用于清刷的可调均匀电子束。多次抽真空、检漏、及对该系统的烘烤处理使该系统达到真空度510-4 Pa的时间小于45 min，且极限真空度优于510-5 Pa，完全满足了清刷测试的指标要求。针对负载对该真空系统抽真空难度带来的影响，定义了负载影响因子K，并在实验过程中对K值作了量化计算（K值在0.35~1.57范围内），揭示了K值与该系统抽真空难度存在的正比例关系。

为了有效减弱高动态环境对图像采集的干扰，利用模糊图像的频谱特性，提出了一种适合不同模糊尺度的运动模糊方向估计方法。该方法对比不同模糊尺度图像频谱中心亮条纹边缘特征的差别，通过计算其曲率半径实现不同模糊尺度图像的量化鉴别，在确定图像模糊尺度的大小之后，分别利用倒频谱、二次傅氏变换对模糊图像频谱中心亮线特征进行提取，考虑图像高宽比、中心十字亮线的不利影响，在二值化处理的基础上剔除十字亮线，通过亮线特征点直线拟合完成模糊方向估计。实验结果表明，该算法能够有效鉴别不同模糊尺度的运动模糊方向，估计精度较其他同类算法更高，相对误差率均小于0.02。

艾里光束是一种新型无衍射光束，解决了激光在传播过程中的衍射效应。基于艾里变换技术，介绍一种可以通过椭圆平顶高斯光束产生的新型艾里光束，即可调谐艾里光束。通过理论计算，可以看出调节椭圆平顶高斯光束的束宽比可获得单尾艾里光束，同时，可调谐艾里光束的尾长可以通过调节入射椭圆平顶高斯光束的阶数来控制。通过研究，当束宽比p=1时，艾里光束的加速方向沿x轴45方向；p=1/2时，加速方向沿x轴31方向，p=1/3时，加速方向为沿x正方向，可见调节束宽比p的大小可以改变艾里光束的加速方向。

红外图像中的强边缘一直是制约红外弱小目标检测概率的重要因素，同时是产生目标虚警的重要来源。采用能够同时利用邻域空间欧式距离和灰度值相似性的双边滤波，并针对天基红外系统中帧间背景缓慢变化的特点，设计一种基于时空域的双边滤波法，实验验证该方法对复杂背景的强边缘具有很好地抑制效果，信杂比增益大于3.6，同时能够很好地保留目标能量，目标能量损失因子Dfactor小于0.2，有效地提高目标的局域信杂比。

针对无人机自主空中加油保持阶段加油机位姿跟踪精度不高的问题，提出了一种改进UKF（无损卡尔曼滤波）预测方法。建立了视觉导航系统模型，利用Harris算法检测角点，并用RANSAC（随机序列一致性）算法进行角点匹配。将历史预测数据引入当前时刻UKF预测值，并通过匹配角点所得姿态观测值对改进UKF预测值进行修正，从而实现加油机姿态的高精度预测。仿真结果表明，改进UKF在遭遇突发强干扰时姿态预测性能明显优于标准UKF，所预测误差小于5.8%，满足空中加油精度要求。该算法避免了强干扰引发的预测出错，有效抑制了突发干扰。

自主研发了一种光笔式双目立体视觉大工件尺寸测量系统，对测量系统中特征点的提取及其匹配技术进行了研究。测量系统采用 Canny 算子和 Zernike 矩相结合的算法实现椭圆光斑的亚像素边缘提取，根据得到的亚像素边缘点，采用基于最小二乘的曲线拟合法得到椭圆光斑的中心坐标。针对特征点的匹配问题，提出了一种基于位置约束的快速匹配方法。实验结果显示：所提方法能提取到椭圆光斑亚像素边缘，可精确计算出椭圆光斑中心坐标，匹配率达到95%以上。

在纯氧条件下，采用直流磁控溅射技术在单晶硅基片上沉积氧化铪（HfO2）薄膜，并研究了沉积过程中基片温度对薄膜结构和性能的影响规律。利用X射线衍射仪（XRD）和X射线能谱（XPS）表征了薄膜的晶体结构和组分，利用原子力显微镜（AFM）观察薄膜表面形貌，利用纳米力学测试系统表征了薄膜的纳米硬度和弹性模量。结果表明：磁控溅射制备的HfO2薄膜样品呈(111)择优生长，其晶粒尺寸随着基片温度的升高而增大，但其晶型并不发生转变。随着基片温度的增加，基片中的硅元素向薄膜内扩散，影响了薄膜的化学计量比。沉积薄膜的表面形貌和力学性能亦受到其结构和组分变化的影响。在200 ℃条件下制备的HfO2薄膜纯度高，O、Hf元素化学计量达到了1.99，其表面质量和力学性能均达到了最佳值，随着基片温度升高至300 ℃以上，薄膜纯度下降，表面质量和力学性能均产生劣化。

为了探讨人眼对比度敏感视觉特性，利用显示器显示11种空间频率、平均亮度为10、60和90 cd/m2的目标光栅，设计实验测量了120名青年的人眼亮度和色度对比敏感度数据，并采用最小二乘法对测量数据进行了分析和拟合，提出了一种多项式调制下的指数形式的人眼亮度和色度对比敏感视觉特性的数学模型，且与国内外典型的模型进行了对比分析。结果表明：随着空间频率f的增加，人眼对比敏感度先增加后减小，当f在3 cpd～4 cpd(周/度)时，人眼最为敏感，其与目前典型的视觉模型基本一致。表明提出的测量方法是有效的、可行的，提出的视觉模型具有一定的科学性；且该测量方法操作简单，视觉模型计算复杂度低，在实际应用中优于典型的测量方法和视觉模型，具有一定的参考价值。

为了研究SiO2对多层结构GaN外延片的热应力的影响，以直径d为40 mm的GaN外延片为研究对象，利用有限元分析法分别对蓝宝石/AlN/GaN和蓝宝石/SiO2/AlN/GaN这两种光阴极组件外延片表面热应力进行理论计算和仿真。在其他结构参数相同的情况下，分别分析了两种光阴极组件外延片径向和厚度方向的应力分布，分析了外延片热应力分布及影响因素。分析结果显示：在1 200 ℃的生长温度下，径向区域内的热应力分布比较均匀，厚度方向的热应力均在衬底和外延层的界面上发生突变。最后分析了外延片生长温度、蓝宝石衬底和GaN、AlN过渡层厚度对表面热应力的影响。

球面透镜的透射波前畸变是影响激光驱动器光束质量的重要参数。采用移相干涉仪检测球面透镜波前畸变时，测量结果的精度受限于标准球面镜头和后置平面反射镜的精度。然而，现有的绝对检测技术仅适用于反射元件。为了满足球面透镜波前畸变的高精度检测需求，提出了一种适用于球面透镜透射波前的绝对检测方法：三位置平移相减法。详细介绍了三位置平移相减法的原理，对其进行了模拟仿真和实验验证。仿真结果显示：三位置平移相减法的仿真误差为10 nm~13 nm，达到高精度测量的理论要求；实验结果表明：三位置平移相减法可以有效地减小前标准球面镜头和后置平面反射镜对测量结果的影响，该方法对球面透镜的加工和装调具有很好的指导意义。

针对感应热成像检测中金属工件内部缺陷检测较为困难的问题，对常用的铁磁材料45#钢和非铁磁材料铝试件进行了研究。提取45#钢和铝试件上宽深比不同缺陷的降温曲线，对其进行归一化对数温度-对数时间拟合并求取二阶微分，利用二阶微分极小峰值时间作为特征量对缺陷深度进行定量。结果表明，对45#钢试件，缺陷宽深比大于等于2时，二阶微分极小峰值所对应的时间与缺陷深度平方呈线性关系，可以用来对缺陷深度进行定量；铝试件处理后降温曲线的二阶微分极小峰值时间不受缺陷深度变化影响，不能作为特征量定量缺陷深度。最后通过实验验证了仿真结果。

为设计一款可用于不同规格的投影机的通用型短焦投影镜头，整合了应用较为广泛的几款主流机型的光学特征参数，以不同机型内部光学引擎的的不同尺寸的分色合色棱镜作为镜头的一部分，建立多重结构，并根据不同机型参数合理确定了镜头的像高、分辨率、后工作距等设计指标，设计了一款短焦投影镜头，可用于0.63英寸（1.6 cm）~0.8英寸(2.03 cm)芯片且基于单DMD或3LCD技术的投影机，投射比为0.8:1~0.95:1。分析了短焦投影镜头中较难处理的照度和畸变问题，最后给出了可行的解决办法,并对光学系统进行了公差分析。

液晶显示领域不断提出缩减成本方案，对于液晶电视LED背光系统，提出了一种大角度背光透镜设计方案，即在目标接收屏面具有较大照度辐射角度的背光透镜设计。采用特定的双自由曲面设计，入光孔设置为类椭圆型结构面将光源出射的光通量进行等角度划分，根据接收屏面的理想照度分布与入光孔每一角度出射光通量对应关系计算出出光面自由曲线。借助底部微结构处理，再根据模具及产品成型要求补全外观结构，得到符合设计指标的方案，有效地解决了因增大角度引起的黄斑问题，并达到目标接受面均匀度的要求。针对32英寸（81 cm）的液晶电视背光模组，采用12颗最大正向电流为350 mA的LED灯珠，在模组高度为30 mm的系统中，设计的背光透镜模组达到了要求的亮度及均匀度。

全息光刻可通过空间光调制器数字微镜器件（DMD）加载计算全息图构建数字掩膜来实现，罗曼编码是常用的编制计算全息图的方法，它采用透明矩形孔的高度和位置分别编码全息图抽样单元的幅值和相位。通常，DMD再现此类二元全息图需合并多个微镜来表示单个矩形孔，这会大大降低其像素利用率和分辨率。针对这个问题，提出一种改进的罗曼编码，该编码充分利用DMD的二进制脉宽调制特性，采用灰度值编码全息图抽样单元的幅值,将全息图的透过率由二元型转换成灰阶型，从而有效减少单个抽样单元所占用的微镜数。采用MATLAB编程对改进的罗曼编码和博奇编码计算全息图进行模拟再现分析，得到改进的罗曼编码衍射效率约是博奇编码的3倍。以DMD为核心搭建了全息再现实验，得到改进的罗曼编码衍射效率约是博奇编码的2倍。可得出采用改进的罗曼编码可以显著提高衍射效率。

针对舰船在海上航行时形成的尾迹包含多类信息，利用Kelvin尾迹模型得到舰船速度为5 m/s、10 m/s和15 m/s的尾迹最大波高分别为0.5 m、1.5 m和2.5 m。通过海浪PiersonMoscowitz谱模型描述海面风速分别为5 m/s、8 m/s和10 m/s下的复杂海面背景模型。基于海面背景和尾迹区域的几何差异，建立了Kelvin尾迹的红外发射模型，得到不同海面风速、不同舰船航速和不同探测天顶角下的红外特征仿真图像。仿真结果表明，红外图像的灰度极大值位于尾迹波峰处，海面风速由5 m/s增加到10 m/s时，尾迹区域与海面背景平均灰度差值由100逐渐减小，直至无差异。相同海面风速下，舰船速度由5 m/s增加到15 m/s，尾迹波长由10 m增加到40 m，红外特征明显。改变探测器天顶角分别为0和30时，红外图像差异较小，当天顶角增大到60时，尾迹区域灰度值接近海面背景，差值小于30，尾迹的辨识难度增加。

为了实现红外多光谱成像系统光谱维MRTD测试，获取更多的目标背景信息，提出基于声光可调谐滤波器（AOTF）的多光谱成像系统静态性能测试平台的设计。在（3~5）m波段范围内，采用设计搭建的静态性能测试平台完成了红外带内波段的细分，并在各个细分波段上分别对空间频率2.546 lp/mm、1.273 lp/mm、0.849 lp/mm和0.632 lp/mm的标准靶进行了MRTD测试。实验结果表明，得到的光谱维MRTD测试结果与理论结果一致，验证了测试平台的可靠性和测试方法的可行性。

为了满足超远程和高速空间激光通信的需求，设计了一种以1.06 m光纤激光4支路相控阵作为发射源的通信系统结构。采用53 Mb/s、120 Mb/s、155 Mb/s速率调制的伪随机序列，实验了相控阵种子源和一条支路处调制的2种方案。结果表明：相同速率下，种子源调制的接收眼图质量较好，通过相位控制，可以进一步提高接收质量。实验中，研究了2条支路光分别调制的相控阵多载波特性，调制信号采用5/5.08 MHz及20/40 MHz两组正弦波，经光束合成和相位控制，在接收端观测到相应的频域信号。实验初步验证了光纤激光相控阵空间通信系统的可行性。

针对目前光纤光栅传感器解调设备存在的问题，研究设计了更低成本、便携化、性能稳定的传感器解调设备。选择系统集成度高与环境适应性强的线阵CCD光谱成像法作为解调设备整体方案，以SOPC作为嵌入式解调内核，构建传感器解调系统，并通过实验证明，高斯拟合和频谱相关算法的解调精度较高，平均偏差在0.005 0 nm以内，分别为0.003 0 nm和0.004 8 nm，有效提高了光纤光栅传感器中心波长的解调分辨力，同时也证明设计的基于FPGA的光纤光栅传感器解调系统实现了高集成度、高分辨率的解调系统要求。

数字闭环光纤陀螺引入的死区问题限制了其向更高性能惯性导航系统的应用。采用数学模型分析了数字闭环光纤陀螺死区的成因是反馈相关误差干扰，通过simulink仿真工具对死区现象进行了仿真，对比陀螺死区测试对模型进行了验证。以此为基础提出了电光合串扰造成死区的干扰模式，分析了干扰误差源的信号频域特征并使用频谱分析仪对受干扰的光功率信号进行了相关频点的测试，同时对比了干扰抑制后无死区的光功率信号相关频点的测试结果。通过抑制相关误差前后的测试结果对比，验证了与数字闭环反馈阶梯波相关的误差输入是死区形成的根本原因，除了电路交叉耦合之外，电路对光强的调制干扰也会造成死区问题。在采用针对干扰信号频率特性的退耦及PCB设计后，闭环光纤陀螺死区由0.2/h降低至0.02/h，满足系统应用需求。

为解决超声波法检测电力设备局部放电灵敏度低问题，提出一种采用石英膜片的全电介质结构的光纤法珀超声传感器设计方法。为获得适于局放检测频响特性的法珀传感器，根据弹性力学原理分析法珀传感器固有频率随膜片尺寸参数变化规律，利用ANSYS有限元仿真方法设计3种不同结构尺寸的法珀传感器。在绝缘油箱中采用信号发生器驱动压电陶瓷传感器发射50 kHz~250 kHz超声波，获得FP传感器的幅频特性曲线。FP1~FP3对板板电极局放声信号检测实验表明，设计传感器一阶固有频率在150 kHz处可有效检测局放，且相同固有频率下FP传感器灵敏度随膜片厚度减小而显著提高。相同结构参数下腔长为130 m和100 m的FP传感器检测灵敏度前者是后者的2.47倍，实验结果表明增加FP腔长可提高传感器局放检测灵敏度。