光谱成像探测技术将成像技术和光谱技术结合在一起，能够提供丰富的目标场景信息。对多光谱成像探测技术进行了详细研究，针对迷彩伪装目标侦察设计了无人机载多光谱摄像机，重点分析了多光谱侦察探测、识别的计算方法。通过试验验证，多光谱侦察效能提高20%~50%。

提出了一种利用信息失真参数研究光电成像系统优化匹配的新方法。分析了光电成像系统频谱混叠问题，将物光强函数分解为一系列非负谐波函数，并对谐波的成像结果进行了求解。在此基础上，建立了物、像与光电系统的信息模型，进而对不同光学系统截止频率下的信息失真度进行了数值计算，阐述了基于信息失真的光学系统与探测器的匹配关系。结果表明，当探测器像元边长为10 μm时，高斯物频谱应选择截止频率为100 mm^-1的衍射受限光学系统才能获得最小失真度0.144 1。

针对驻车情况下光电桅杆系统的工作特殊环境，提出基于光电校正INS的光电桅杆方位角度修正方法。采用光电系统定时瞄准某一固定目标，获得参考方位角修正光电系统中惯性导航系统(INS)的方位角误差，然后采用该误差修正INS的方位角，实现抑制INS的方位角误差发散，提高长时间工作情况下光电系统方位角精度。实验表明，在桅杆摆动造成光电系统瞄准目标时的等效方位角误差为0.06°的情况下，以STIM300作为IMU的INS，采用提出的修正方案在60 min内的方位角误差为0.059°，而没有进行修正时在31 min内的误差发散到1.14°。

为提升产品可靠性和环境适应性，需对某光电吊舱内方位电机组件在-50℃的摩擦特性进行改善。分析了可能影响电机组件摩擦特性的因素，并针对各因素提出相应的改善措施，借助仿真与试验相结合的研究方法，对改善措施的效果进行了验证。经研究：-50℃时，电机组件摩擦力矩的增大既有低温单独作用的结果，也有低温和电机组件潜在因素共同作用的结果。电机组件在低温下的微变形不足以引起摩擦力矩的增大，通过增加电机保护罩和在电机与电机座之间增加厚度为1 mm的软磁合金薄片，能使电机的摩擦力矩降低到0.063 N·m。该改善措施适用于光电吊舱电机组件的设计及类似产品的开发研制。

基于高速CCD相机主光轴的转镜弹道同步跟踪系统，研究了高速飞行弹丸飞行姿态和飞行速度的问题，利用转镜的反射原理和转镜运动规律，建立了转镜随弹丸运动的时空关系模型和转镜运动参数的数学模型，并推导转镜运动参数与弹丸飞行速度和弹道距转镜中心垂直高度之间的数学关系；在理论分析的基础上，用MATLAB分析了转镜视场内的弹道宽度随时间变化的规律以及转镜转角和角加速度随时间变化的规律，得到在某一时刻转镜视场的大小以及转镜参数的变化曲线；给出了转镜尺寸、扫描速率曲线和最大离散速度等主要参数的计算方法，分析了它们对整个跟踪系统的影响。针对系统设置参数为h=150 m, v=300 m/s时进行仿真，仿真结果表明本系统可实现对高速弹丸的同步跟踪。

为解决自动跟踪过程中目标被遮挡导致丢失的问题，提出一种光电观瞄系统抗目标遮挡的自动跟踪控制方法。在正常跟踪状态时记录当前跟踪控制命令，当目标被遮挡后控制系统进入记忆跟踪状态时，对记录的若干组控制命令进行二次曲线拟合，预测出目标遮挡过程中的控制命令，从而预测目标的运动轨迹，保证自动跟踪的稳定性和可靠性。在目标突然转向或作变加减速运动的情况下，二次曲线拟合的预测误差不大于6%，远小于线性拟合的预测误差73%。该方法已被某型光电观瞄系统挂飞试验进行了验证，结果表明：在目标被短暂遮挡时，观瞄系统自动跟踪过程平稳，瞄准线稳定。

靶场现有落点坐标测试设备大多数基于地面观测平台，存在通视要求的局限性，无法及时预测落点概略坐标，且对于连发密集型射击试验无法区分弹序。针对该问题，根据物点与像点的几何位置关系，提出了3种将观测平台设置为空中的无人机弹丸落点测量方法：内差法、距离比例法以及求解姿态角法。介绍了3种算法的基本原理和数学模型，然后结合模拟试验现场的测试数据对3种方法进行了验证，最后计算出满足要求所需要的相机最低技术指标。实验结果表明：内差法和比例法测量精度低于3 m，求解姿态角法的精度小于0.3 m。

鉴于全视角高精度三维测量仪中现有光学成像系统无法同时满足大视角、高分辨率和低畸变等技术指标，为此设计了一种能够同时克服上述缺陷的光学成像和畸变校正系统。采用复杂化双高斯结构形式进行f-θ镜头设计，引入非球面提高系统成像质量。实验结果表明，设计的光学系统为长焦广角低畸变高分辨率光学系统，在环境温度-10 ℃~70 ℃下，视场角达到90°，畸变小于-0.001 67%，传递函数达到0.4@100 lp/mm，可实现工作距离3 m~100 m成像清晰。同时，光学系统中非球面镜片的面型精度会对成像质量产生很大的影响，根据公差分析，非球面的面型精度PV值小于0.17 μm时系统成像质量满足要求，实际加工过程中非球面面型PV值达到0.158 μm，传递函数达到设计指标要求，提高了系统的成像质量。

半导体量子点具有独特的光学与电学性质，特别是红外量子点良好的光稳定性和生物相容性等优点使其在光电器件、生物医学等领域受到广泛关注。综述了吸收或发射光谱位于红外波段的量子点在激光、能源、光电探测以及生物医学等方面的应用现状与前景，归纳了适用于红外量子点材料的制备方法，并对比了不同方法在应用中的优势。半导体红外量子点材料选择丰富、应用形式多样：InAs量子点被动锁模激光器在1.3 μm波长处产生7.3 GHz的近衍射极限脉冲输出；InAs/GaAs量子点双波长激光器可泵浦产生0.6 nW的THz波；PbS量子点掺杂光纤放大器可在1.53 μm中心波长处实现10.5 dB光增益，带宽160 nm；CdSeTe量子点敏化太阳能电池、异质结Si基量子点太阳能电池的总转换效率可达8%和14.8%；胶质HgTe量子点制成的量子点红外探测器(QDIP)可实现3 μm~5 μm中波红外探测，Ge/Si量子点可实现3 μm~7 μm红外探测；CdTe/ZnSe核壳量子点可用于检测DNA序列的损伤与突变。半导体红外量子点上述应用形式的发展，将进一步促进红外光电系统向高效、快速、大规模集成的方向演进，也将极大地促进临床医学中活体成像检测的应用推广。

针对国内基于M型Czerny-Turner结构的宽波段微型光谱仪研究较少的情况，对微型宽波段光谱仪进行了设计，并提出了完整的设计流程。根据几何光学原理，分析了光学系统各个参数之间的约束关系，据此设计、计算得到了光学系统的基本参数，并使用Zemax进行仿真。为了提高仪器的紫外响应，在CCD的前端增加了Lumogen镀膜的滤光片。实际制做的光谱仪测量结果表明：光谱仪的分辨率在200 nm~1100 nm全波段范围内达到1.5 nm，中心分辨率达到1 nm，满足设计需求。

目前，靶场姿态测量以多台套交会测量为主，对于单站姿态测量尚没有较好的解决方案。为了解决该问题，以投影轴对称目标为例，提出了一种基于中轴线像长匹配的单站姿态测量方法。将透视投影拓展为2种等效形式，将体现目标姿态状态的中轴线向像面透视投影，可获得中轴线的投影像长或在等效物面的等效物长，根据目标中轴线的先验长度、相机内外参数及成像信息，经像长匹配即可获取目标的偏航角和俯仰角；实际工程试验验证了该算法的可行性，偏航角精度为1.7°，俯仰角精度约1°，满足靶场单站测姿需求；并对姿态测量模型关键因素进行了误差分析。该方法可适用于非投影轴对称目标。

为了改善复杂交通环境下湍流信道的光强闪烁对信号的影响，研究了大气湍流光强闪烁的系统模型，并且针对PPM和DPIM等调制方法存在的问题，提出一种新型的无线光通信调制方法——头脉冲位置调制(head pulse position modulation，H-PPM)。根据湍流信道的特点，推导出基于H-PPM的可见光通信系统未编码时与RS(Reed-Solomon)码纠错后的误时隙率公式。数值仿真曲线证明，当系统误码率为10^-10时，RS(15, 7)纠错码可以提高约18 dB的编码增益。由此可得，采取H-PPM调制和RS编码相结合可提高信号的质量，更有利于复杂交通环境下的可见光通信。

目前，虽然各种自适应分层方法层出不穷，但针对模型特征偏移和丢失的自适应分层方法还相对较少。针对此点，提出一种以体积误差为基础的自适应分层方法。首先，在成型方向上将单个切片层对三角面片的切割分为未跨越、跨越到相邻、跨越到不相邻三角面片3种情况，并建立了数学模型。分析了模型特征的保留特性，并结合3种情况依照体积误差公式给出了具体的算法流程。最后，为验证方法的有效性，对一零件应用3种不同方法进行分层，得到相应的模拟成型件，并与CAD原件进行对比。结果表明，体积自适应算法较其余2种方法与CAD模型轮廓最为接近，在采样点处的偏离距离分别为0.09 mm和0.10 mm，形状精度最高。

为了确定车辆在行驶过程中的相对位置与速度，提出一种基于双目序列图像的实时测距定位及自车速度估计方法。该方法利用车载双目视觉传感器采集周围环境的序列图像，并对同一时刻的左右图像进行基于SURF(speeded up robust features)特征的立体匹配，以获取环境特征点的景深，实现车辆测距定位；同时又对相邻两帧图像进行基于SURF特征的跟踪匹配，并通过对应匹配点在相邻两帧摄像机坐标系下的三维坐标，计算出摄像机坐标系在车辆运动前后的变换参数，根据变换参数估算出车辆的行驶速度。模拟实验表明，该方法具有良好的可行性，速度计算结果比较稳定，平均误差均在6%以内。

针对生物特征的多模识别技术，设计了一款用于指纹及手指静脉图像复合采集的光学系统。用于采集指纹和手指静脉图像的光学镜头分别由3片和12片球面透镜构成，工作波长分别为650 nm和850 nm，成像器件分别采用640 pixel×480 pixel CCD和640 pixel×512 pixel非制冷红外探测器。使用Zemax软件对该系统的光学结构进行了设计和优化。像质评价结果表明：指纹图像采集镜头在空间截止频率67 lp/mm处，调制传递函数MTF值大于0.6；手指静脉图像采集镜头在空间截止频率30 lp/mm处，调制传递函数MTF值大于0.8；两镜头各视场弥散斑均方根半径远小于成像器件像元尺寸，接近衍射极限，且成像畸变均小于0.5%。实验证明该系统采集到的图像质量优良，分辨率高。

为使仅适用于静态测量的空间相移剪切散斑干涉系统可用于物体变形的动态测量，在对传统剪切散斑干涉系统加以改进的基础上，提出一种物体变形动态检测方法。将检测系统中的压电陶瓷控制器用参考镜代替，减少了物理装置控制与执行的时间。对于物体发生变形的同一状态，仅需采集一幅干涉图像即可满足后期计算，加以二维连续小波滤波和最小二乘相位解包算法，能满足物体变形动态在线检测的需求。理论和实测实验表明，该方法能快速可靠地检测出物体动态形变，整个系统的最大误差范围在-1.5 rad~1.5 rad之间，整个检测过程最大误差百分比为6.4%，有较高的精度和实用性，为新型剪切散斑干涉测量系统的改进和设计提供参考。

针对视觉测量硬盘圆孔直径易受到圆孔周围高反光面强反射的影响而导致测量精度不高的问题，提出了一种基于分数阶微分的图像去噪声的处理方法。通过分数阶微分算法对相机采集的带有强反射、高反光的硬盘圆孔孔径图像进行处理，消除圆孔周围强反射表面等不相关信息对圆孔边缘提取带来的影响，通过实验分别与Prewitt、Soble、Laplacian算子进行比较，证明分数阶微分可有效减少所要分析的图像信息量，更好地增强圆孔边缘轮廓信息，可达到更好的视觉效果。对分数阶微分算法处理后的圆孔图像进行Canny边缘检测，提取出有效的圆孔边缘，利用最小二乘法对孔径边缘进行直径测量。实验结果表明：该文算法与其他算法相比，在保证精确提取孔径边缘信息的基础上，对圆孔周围的强反射面进行了抑制，误差控制在0.05 mm左右，保证了测量精度。

复杂表面的精密三维测量在工业无损检测中非常重要。二进制条纹离焦投影方法在快速三维测量中有重要的应用前景，但该方法难以实现复杂表面高精度三维测量。为此，提出了基于二进制条纹加相位编码条纹离焦投影的三维测量方法。由于离焦投影滤除了高次谐波和高频噪声，可以克服投影仪的非线性伽马效应，与传统投影正弦条纹方法相比，提高了其测量精度。针对离焦投影时，随着相位编码条纹频率增大，条纹级次判决困难，出现周期错位，导致相位解包裹出错，提出了相移编码方法来解决以上问题。采用相移编码方法校正周期错位，使条纹级次判决准确，进一步提高其测量精度。实验结果表明，其测量精度可以达到0.044 mm，验证了本方法的有效性和实用性。

传统傅立叶变换轮廓术多采用散光斜式投影，需要满足4个约束条件才能得到较为准确的相位与高度映射关系，并且散光投影带来的相位非线性二次项误差也会降低形貌恢复精度。为了能在欠约束条件下减少相位非线性误差的影响，建立了基于平行光干涉投影下的普适模型。平行光干涉投影下的参考平面相位沿着x轴呈线性变化，相位分布较散光或倾斜式投影更具准确性。对比分析了散光及平行光投影下被测物体的恢复情况，实验结果表明，新模型在欠约束条件下，具有较高的灵活性和可操作性，恢复精度良好，相对误差为1.1%。

为了客观、全面地评价船舶夜航光环境质量，保障船舶夜航安全，从分析海上光污染的概念及其来源出发，提出了选取船舶夜航光环境评价指标应遵循“主导性、可操作性及覆盖面广”的原则；在遵循该指标选取原则的基础上，利用光学、色度学及系统工程理论，从驾驶人员视觉绩效、船舶避碰行为、通航光环境条件等3大方面筛选出19个评价指标，建立了海上光环境评价体系，并给出了通航光环境条件中背景光的亮度、背景光的色度、污染光源眩光以及污染光源闪烁度的评价标准，为船舶夜航光环境的测量与评价奠定了基础。

为了实现在较低剂量下获得较高的分辨率，研制了一款价格低廉的X射线CCD相机。该相机使用硫氧化钆作为转换屏、经一代像增强器增强后的图像通过光锥耦合到CCD相机上；为了提高系统的光传输效率，提出了将像增强器输出直面板或倒像器直接更换成光锥，其小端直接同CCD相机耦合的方案；通过灰度分析计算对比度曲线，拟合得出系统的本征空间分辨率为13 Lp/mm；通过拍摄实际景物，可以清晰地看到其内部的细节，显示出比较好的图像质量。

宽厚比较大的小型轻质薄型反射镜在宽温度范围及恶劣的环境(尤其是低温-40℃)下易发生变形，严重影响系统成像质量。针对这种情况，以挠性支撑原理为基础，借助于热力学理论设计了一种适用于小型轻质薄型分光反射镜的新型挠性支撑结构，采用有限元技术，对该挠性支撑结构的温度适应性进行了分析，并对装配后的反射镜组件进行了低温试验。试验结果表明：在-40℃温度下，反射镜面形精度峰谷值(PV值)保持在0.25λ(λ＝632.8 nm)，这种新型挠性支撑结构能够满足应用环境的使用要求。

针对目前舞台灯的光束角可变范围小、照度均匀性差等缺点，在全反射式透镜结构的基础上，基于变焦透镜组原理，设计出一种采用单颗透镜的变焦透镜系统。该系统包括准直透镜和可移动的调焦片，并且使用SolidWorks软件，依次在准直透镜的镜面上进行不规则六边形复眼圆周填充阵列和调焦片的两侧进行六边形复眼圆周阵列设计。经过光学软件LightTools仿真以及实际光照效果检测，此款透镜在匹配S2WP的全彩LED光源后，上述结构能够有效解决RGBW全彩LED光源在舞台灯照明上均匀性和混光差的难题。此外，设计出的舞台灯变焦透镜的光学效率高达87%，可在0 mm~15 mm的调焦范围内，光束角(1/2光强角)的可变范围为4°~53°。

通过推导激光三角测量系统的灵敏度公式，分析了光学结构参数对系统灵敏度的影响，主要包括被测表面起伏量、成像系统的放大倍率与工作角。建立表面粗糙度的激光三角测量系统，重点针对工作角对灵敏度的影响关系进行实验研究。结果显示，较大的工作角能够获得更高的系统灵敏度。但是当工作角较大时，需考虑工作角与系统放大倍率对灵敏度的综合影响，并保证光接收器上的光强大于其灵敏度。对于文中采用的测量系统，最高的系统灵敏度所对应的工作角约为70°左右。

为确定飞秒激光光束对微尺度结构的烧蚀深度，研究了给定功率条件下对应的激光束有效烧蚀焦距。提出采用激光焦点处获得的烧痕阵列图像及在离焦状态下提取烧痕图像特征，通过分析图像特征与离焦距离，获得激光束有效烧蚀焦距范围的方法。在激光束焦点附近的硅晶片表面烧蚀出斑痕阵列，向下逐渐减小焦距，采集硅晶片斑痕图像，提取斑痕平均像素面积及斑痕目标与背景之间的R分量灰度差，获得斑痕像素面积及灰度差随激光束焦距变化的曲线；向上逐渐增大焦距，提取并获得斑痕像素面积及灰度差随激光束焦距变化的曲线。结合激光束向下离焦阈值(633 μm)及向上离焦阈值(993 μm)，确定20 mW输出功率条件下，飞秒激光在硅晶片材料表面的有效烧蚀深度为360 μm。采用中位值方法确定了激光束在硅晶片表面聚焦时的焦距为0.823 mm。实验表明，激光烧蚀斑痕像素面积及灰度差与激光束焦距之间的关系能够客观地反映激光束有效烧蚀焦距的变化范围。

为了研究静/动态刻蚀过程中熔石英表面质量和抗激光损伤性能的演变规律，优化化学刻蚀工艺，使用HF酸缓冲液对熔石英分别进行了不同时间的静/动态刻蚀处理。实验表明，由于兆声场辅助搅拌作用，熔石英动态刻蚀的刻蚀速率快于静态刻蚀。动态刻蚀后熔石英表面均方根(RMS)粗糙度和反射面形分别为 < 1 nm和0.46λ，其3倍频透射率先小幅增加后保持稳定，相比初始表面增加约0.1%。而静态刻蚀使得表面RMS粗糙度和反射面形分别增加至~5 nm和0.82λ，其3倍频透射率先基本不变后下降，相比初始表面下降约0.4%。二者损伤阈值呈现明显不同变化规律：静态刻蚀使熔石英损伤阈值先小幅增加约30%后逐渐降低，动态刻蚀使熔石英损伤阈值增加近一倍后保持相对稳定。结果表明，动态刻蚀后熔石英光学元件性能明显优于静态刻蚀。

传统的THz单模单偏振光纤大部分都是基于实芯光纤设计的，增加了THz波的传输损耗。最近几年，也有一些关于空芯THz单模单偏振光纤的报道。但是，他们的带宽太窄，往往只能在单一频率附近工作，影响了单偏振器件在THz范围内的使用价值和技术优势。为了解决这些问题，设计了一种新颖结构的空芯THz单模单偏振器件。它拥有超过0.1 THz的带宽，工作频率范围从1.63 THz到1.73 THz。这种器件对于THz通信网络的建设和应用具有重要意义。

提出一种基于锥形光纤和光纤F-P腔组合结构的光纤应变传感器。该传感器包含单模光纤拉锥形成的锥区和石英毛细管构建的F-P腔2个应变敏感区域。理论分析了光波在该传感器中的传播过程，获得了该传感器的光强传输函数。由于锥形光纤中激发出的包层高阶模参与干涉，导致传感器干涉光谱具有调制特性。实验获得了该传感器的干涉光谱，通过分析谐振波长偏移或消光比变化对应变实现独立测量，在0~500 με的测量范围内，该传感器的应变灵敏度为14.6 pm/με。利用锥形光纤引发的模式干涉和F-P腔的双光束干涉效应共同作用形成受调制的干涉谱型进行应变传感，应变灵敏度高，同时具备2种独立的应变检测手段(谐振波长和消光比检测)。

提出了一套基于FPGA(fiber-Bragg-grating)和DS18B20的温度布拉格光栅的波长标定方法。基于DS18B20对外界温变的实时响应特性，将数字温度传感器DS18B20与连接了光谱仪的温度光纤布拉格光栅FBG置于同一温度场中，以现场可编程门阵列FPGA(field-programable-gate-array)作为数据处理和控制芯片，设计了通过串口发送智能指令对温场变化的实时监控和显示系统。方法中不需要温箱进行恒温控制，降低了FBG波长标定的成本及功耗。实验表明，标定出的波长-温度曲线线性度为0.999，测得光栅的温度灵敏度系数为9.899 pm/℃，与用恒温箱测得的结果10.468 pm/℃相差0.569 pm/℃，在系统允许误差0.619 pm/℃范围内，验证了该方法的准确性。