在航天空间交会、对接等高精度定位应用中需要光学成像系统具有高分辨率、低畸变、大视场的特点，为此设计了一种满足上述要求的航天物镜。采用复杂化的双高斯结构形式进行准像方远心光路设计，系统由9片透镜组成，并采用耐辐射玻璃材料减少离子辐射的腐蚀性；采用滤光片避免短波辐射对系统的影响，引入非球面提高成像精度，最后对成像物镜进行了公差分析。设计的系统焦距为24 mm，相对孔径为F/2.2，工作波段600 nm~800 nm，全视场角为35°。设计结果表明，采用该方法设计的物镜在128 lp/mm处各视场传递函数值均大于0.3，畸变值为0.007 2%，达到设计指标要求。

基于目前研究较热的大口径衍射望远镜技术，提出一种在可见光范围内进行成像的衍射望远镜光学系统方案。该方案解决了目前衍射望远镜存在的成像频谱范围较窄的问题，可以在可见光范围内获取彩色图像，设计方法是将衍射元件沿径向分为3个通道，分别对R、G、B三个颜色通道进行成像，每个通道的成像带宽为40 nm，通过控制系统参数使3个通道的像在像面处重合，获取彩色图像。设计了基于25 m口径衍射主镜的三通道望远镜光学系统，并对该系统进行建模仿真，仿真结果与设计理论相符。该方案可以增加成像的频谱范围，其像面光斑具有与单通道系统像面光斑近乎相同的主瓣宽度。

快速反射镜具有体积小、定位精度高、带宽高、响应速度快等优点，被广泛应用于激光通信、图像稳定系统、天文望远镜等光电系统中。为了对快速反射镜相关研究领域研究者提供一定便利，简要介绍了快速反射镜的工作原理，从多种角度介绍了快速反射镜的分类，并阐述了不同种类快速反射镜的技术特点及性能差异。从技术特点、性能指标、实际应用3方面介绍了多款国内外研究机构的快速反射镜产品。展望快速反射镜的几项关键技术，指出高闭环带宽、高控制精度和数字控制是快速反射镜的发展趋势。

环境感知是无人车夜间行驶中的一项关键任务，提出一种改进的YOLOv3网络，以实现夜间对无人车获取的红外图像中行人、车辆的检测，将判断周边车辆的行驶方向问题转化为预测车辆位置的角度大小问题，并与深度估计信息进行融合对周边车辆行驶的距离和速度作出判断，从而实现夜间无人车对周边车辆行驶意图的感知。该网络具有端到端的优点，能实现整张图像作为网络的输入，直接在输出层回归检测目标的边界框位置、所属的类别和车辆的角度预测结果，并和深度估计信息融合得到周边车辆的距离和速度信息。实验结果表明，使用改进的YOLOv3网络对夜间无人车获取的红外图像进行目标检测的时间为0.04 s/帧，角度和速度预测效果较好，准确性和实时性达到了实际应用要求。

基于双目视觉原理，利用Unity3D游戏引擎开发了一种增强现实环境下的信息物理融合(cyber-physical systems, CPS)虚拟装配系统。通过研究快速定位算法识别特征标记点建立虚拟模型与实物装配单元的配准关系，融合虚拟模型投影图像与实物装配体图像实现虚拟装配仿真，实时输出在视频眼镜结构中显示。经过试验验证，该系统满足CPS实时性、稳定性以及信息世界与物理世界融合的要求。

随着光谱技术的发展，多光谱相机在农业、医疗、机器视觉、遥感探测等领域都得到了广泛的应用。提出一款小型化四通道可见光波段的多光谱相机，尺寸为107 mm×110 mm×74 mm，质量1 043 g，适合搭载在小型化无人机上进行遥感探测。相机系统采用棱镜分光光路设计方案，避免光程差和光轴偏移；设计开发的四通道可见光多光谱相机，采用一个FPGA控制器同时驱动4个图像传感器，实现4个通道像素级同步采集，曝光完全一致。实验结果显示：在红、绿、蓝3个特定波段及全波段相机可实时输出图像，既可输出某个特定波段图像(60 fps)，也可同时输出4个波段图像(15 fps)，有利于多波段图像同步采集，以及多光谱图像融合的研究。

为了提高测角系统的测量精度，基于误差的特性和表现形式，从谐波角度对测角系统中的刻划误差、光电信号误差、偏心误差、倾斜误差和变形导致的误差建立相应的数学模型，并对偏心误差和倾斜误差进行仿真分析。搭建了金属圆光栅测角系统，对系统中的误差进行了分析和修正。实验结果表明：测角系统测角误差为134.2″，修正后误差为32.23″，圆光栅测角系统误差分析为后续的误差补偿提供了理论基础。

介绍了一种基于计算全息的非对称多台阶衍射光学元件印模制备方法，研究了相位型计算全息的工作原理和设计方法，建立了相应的光学系统和衍射光波模型，设计了求取相位型印模微结构的算法流程。在理论分析的基础上，以叠心图案为例，利用MATLAB分别仿真了2台阶、4台阶、8台阶、16台阶衍射光学元件的相位信息以及表面微结构形貌，并对比了其再现图像的质量，发现台阶数越多，再现图像的质量越好。获得印模空间高度数据以及表面结构分布后，利用单点金刚石车削技术，采用快刀加工方式，分别加工了元件尺寸为6 mm×6 mm，最小特征尺寸为30 um的2台阶和4台阶印模，并获得了实际加工的台阶轮廓曲线以及表面结构轮廓。最后采用紫外固化纳米压印技术实现了4台阶印模的复制过程，并对复制样品进行了图像再现，结果表明该方法能用于非对称低台阶数衍射光学元件印模的制备。

多光束激光相干场成像技术突破传统概念，采用微小频移的光束组两两干涉提取目标的傅里叶分量，通过目标频谱傅里叶逆变换获得目标高分辨率图像。该技术仍处于实验室原理验证向实体阵列过渡的研究阶段。在这一过程中多种影响因素对成像质量产生着影响。其中发射阵列的孔径位置误差分布规律以及控制范围一直缺乏较为系统的理论支撑。从傅里叶望远镜发射阵列的光场传输特性入手，分析了在基线不同位置引入孔径误差时对成像质量的影响。并分析出孔径位置精度的要求与分布规律，同时针对这一分布规律提出了孔径位置的相对误差精度，计算机仿真分析得出相对误差精度应控制在5%以内不影响成像质量。该研究为傅里叶望远镜发射阵列的设计与装调提供了理论依据，为傅里叶望远技术的工程化实现奠定一定的理论基础。

透过复杂介质获取目标物体图像精细信息的能力是光电图像采集处理的一大难点, 选用CMOS光电图像传感器, 设计了CMOS成像系统以及后端读取和处理电路, 透过毛玻璃对目标物体成像, 将采集的图像信息传送到计算机中进行处理。该系统按照相机光学成像系统原理制作, 采用通用CMOS图像传感器芯片完成电路设计, 加之红外激光辅助照明拍摄采集图像, 由远及近不同距离分别对同一目标物成像, 对成像图像进行迭代图像增强算法优化, 可以解决毛玻璃非匀质问题, 使光源重建精度大大提高, 得到的可见光图像轮廓清晰, 与一般CCD成像系统相比, 识别率超过95%, 远大于一般成像系统, 且成像性能良好。

为实现表面微观形貌快速而较简单的检测, 一种使用非平行光干涉照明的光学显微三维形貌检测方法被提出。该方法使用空间光调制器对激光光束进行衍射, 选取光强相近的2个衍射级通过显微物镜, 双光束干涉可得到周期接近图像分辨率、相位可精确调节的照明条纹, 被测样本的三维形貌可通过拍摄4帧等相位差的条纹照明图像来计算得到。该方法不需借助干涉物镜产生条纹, 不需要轴向扫描装置记录条纹变化, 相位调节精确, 成像直观。此外, 该方法所产生干涉条纹的相位随坐标线性变化, 不需对条纹周期进行修正。因为照明条纹参数调节光路独立于显微成像光路, 系统装置具有光路简洁、易于调节的优点。为验证所提出三维检测精度, 以粗糙度100 nm的粗糙度对比模块和硅片为被测样品进行了三维轮廓重建实验, 实验结果显示, 所提出方法轴向重复性测量精度为8.6 nm(2σ)。

为了满足可见-近红外波段的高光谱分辨率和高灵敏观测需求，采用大面阵、低噪声碲镉汞焦平面制备技术和低损伤衬底去除技术，成功制备了高信噪比大面阵可见/近红外碲镉汞焦平面探测器。无损衬底去除技术采用机械抛光和化学腐蚀相结合的方法，使焦平面的响应波段拓展至400 nm~2 600 nm。采用信号定量化焦平面测试评价手段对可见/近红外碲镉汞焦平面的性能进行评估，640×512 25 μm中心距碲镉汞焦平面的波段量子效率可达到88.4%，信噪比达到287，有效像元率大于98%，能够获得清晰的可见和近红外波段图像。

海底微地形粗糙度作为海底沉积物重要的物理性质, 对于海洋工程以及海洋科学考察都有着重要意义, 如何利用光学理论进行海底微地形粗糙度测量, 是近年来该领域研究关注的热点。基于光学中的从明暗恢复形状(shame from shading, SFS)算法, 提出一种快速的海底微地形粗糙度测量算法, 在模型构建同时, 添加水下光传播时的吸收和衰减模型, 测量出海底的微地形, 并用幂律形式进行参数拟合, 以表征粗糙度。仿真证明该算法具有95%的置信度, 是一种适用于海底微地形粗糙度测量的光学算法, 并经过实验验证, 证明其有效性和正确性。

由于成像设备等各种因素影响, 图像在成像或传感过程中会受到噪声干扰。图像去噪旨在减少或消除噪声对图像的影响, 这一过程往往会导致高频信息的丢失。为了在去除图像噪声的同时保护图像的边缘信息与纹理细节, 文章提出了一种计算复杂度相对较低的含有信息保留模块的卷积神经网络, 直接对含噪声图像进行降噪。信息保留模块通过残差学习提取局部长路径和局部短路径的混合特征信息。该文采用峰值信噪比(PSNR/dB)和结构相似性(SSIM)两项评价指标对实验结果进行量化, 这两项指标值越大, 说明去噪效果越好。实验结果表明, 在峰值信噪比和结构相似性2项评价指标的均值可达到30.36 dB和0.828 0, 相比其他对比算法, 2项评价指标分别平均提升了2.15 dB和0.072 9。该算法对不同种类、不同水平的噪声都具有良好的去噪效果, 且速度优于所对比的一般算法, 对基于卷积神经网络的去噪工作的进一步发展有一定的作用。

为了有效复原雾霾天气下退化的图像, 文章提出了一种自适应线性透射率估计去雾算法。建立有雾图像与无雾图像最小值通道之间的线性变换模型; 利用有雾图像的混合通道得到自适应参数, 结合自适应参数和线性变换模型估计出透射率, 通过有雾图像的最小值通道构造高斯函数来补偿估计明亮区域透射率, 提升该区域透射率的准确度, 再使用交叉双边滤波器消除纹理效应得到优化透射率; 最后, 结合大气散射模型复原出无雾图像。实验结果表明, 该方法有效降低了时间复杂度, 且复原的图像细节明显, 明亮度适宜。

为了提高水下激光光幕的探测性能, 根据水下光束传播规律, 构建了水下激光光幕探测模型, 基于蒙特卡罗模拟方法对水下激光光幕探测性能进行研究。基于水下激光光幕探测模型, 利用MATLAB软件进行仿真, 分析海水衰减系数、初始功率及传输距离对水下激光光幕传输的影响。仿真结果表明:海水的衰减系数越小, 水下激光光幕传输率受到的影响越小。海水参数和传输距离一定时, 随着初始功率的增加, 只会影响到达探测端的最终功率, 但对传输率影响不大。当海水衰减系数一定, 传输距离为1 m时, 其传输率约为15%且变化稳定; 当传输距离增加到30 m时, 传输率在5%以下。

使用光谱测量方法进行细胞多色荧光分析时, 发射光谱会产生部分光谱重叠, 为定性和定量分析造成了一定的困难。为此, 提出基于优化迭代算法的细胞荧光光谱解析算法, 建立重叠峰模型并确定单峰顶点; 根据每次构造峰面积的大小, 重新确定构造峰的构造方式, 最终得到模拟峰的顶点及面积信息。利用该算法对高斯函数叠加形成的重叠峰进行解析, 并与常规方法进行对比, 结果表明优化迭代算法解析误差稳定在0.15%以内; 加入随机噪声后, 解析误差可稳定在0.85%以内, 均优于另外两种算法。此外, 计算了该算法下的迭代效率, 结果表明该算法较常规方法提高了32.2%。

针对工业生产中泄漏气体导致的爆炸和火灾问题, 提出一种基于形状和SVM分类的红外图像泄漏气体检测方法。采用泄漏气体和干扰物红外图像样本的形状特征训练SVM分类器, 通过对红外图像序列采用基于背景差分的运动检测得到候选目标区域, 再对候选目标区域提取其形状特征, 最后使用SVM分类器进行判别, 从而得到最终的检测结果。使用乙烯气体泄漏仿真数据进行实验, 检测率最高可达98%, 结果表明, 采用该方法可以有效检测泄漏气体, 相比其他方法, 极大地减少了干扰物造成的误检。

针对光学薄膜厚度测量困难问题，提出了一种基于激光外差干涉术的薄膜厚度测量方法。采用经典迈克尔逊干涉光路，利用外差干涉原理将薄膜厚度差转换为光程差，以精密位移平台为扫描机构实现薄膜厚度的逐行扫描测量。测量系统在恒温实验条件下20 min内的漂移不超过8 nm，测量结果平均差小于1 nm，通过与椭圆偏振仪的测量结果比较，测量差值为12.97 nm，表明了该方法的可行性。

为实现目标光谱辐射亮度的高精度测量，研制了一种小视场近紫外到近红外光谱辐射计，光谱范围为300 nm~2 000 nm，光谱辐射亮度测量范围为50μW/cm²·nm·sr~1 000μW/cm²·nm·sr。阐述了近紫外到近红外光谱辐射计设计原理及关键部件，使用基于钨带灯的直接定标法实现了光谱辐射计光谱辐射亮度绝对定标，测量了标准积分球光源的光谱辐射亮度，测量值与积分球光源标准值偏差优于0.5%。

为验证弹丸穿过天幕立靶时6个光幕响应时间是否一致，以提高测试设备测速精度，提出了一种用于检测天幕立靶光幕响应时间一致性的测量方法，设计了一种基于该测量方法的模拟弹丸过幕信号源测试装置。该装置调用存储在ROM中的弹丸轮廓数据，经DA转换控制两路光源间隔亮暗变化一次，用于模拟弹丸依次穿过探测光幕所遮挡的光能量变化。利用信号采集与处理仪同步采集两路输出信号时间间隔，与装置设定时间间隔的差值比较完成测试。测试结果表明：输出两路信号的时间间隔与设定时间间隔间的差值均小于1 μs，满足6个光幕响应时间一致性技术指标要求，该测试装置及测量方法可用于天幕立靶光幕响应时间一致性测量。

采用高功率激光二极管阵列(LDA)端面泵浦Nd:YAG激光棒方式, 结合凸凹非稳腔的设计，获得20 Hz运转条件下小束散角激光输出平均能量约为83 mJ。以该激光为振荡源，同样采用LDA端面泵浦Nd:YAG激光棒的方式进行能量放大，组成LDA端面泵浦振荡-放大(MOPA)激光器，最终获得重频频率20 Hz、平均能量＞200 mJ、发散角＜2.1 mrad、能量波动＜±2.5%的脉冲激光输出。该激光器光光转换效率约为14.6%，体积为175×91×49 mm³，质量＜1 kg，激光经8倍发射天线后发散角＜0.3 mrad。

为改善激光扫描投影系统在扫描复杂图形时由于扫描频率远小于20 Hz而引起的严重闪烁问题，基于图论理论将Fleury算法应用于激光扫描投影路径规划，并针对该算法无法优化非欧拉路径的局限性，提出了改进的Fleury算法。应用MATLAB对上述算法的扫描路径优化效果进行仿真分析，并应用到已有的激光扫描投影系统中进行实验，实验结果表明：基于改进的Fleury算法的激光扫描投影路径优化技术可以使激光扫描投影频率提升至20 Hz左右，有效解决频闪问题，提高绘制图像的质量，从而提升自主研发激光扫描投影仪器的实际应用价值。

为了实现2.1 μm波段光纤激光器输出多波长激光，设计了一种基于光纤Sagnac干涉仪的可调谐多波长掺钬光纤激光器。采用1.9 μm波段掺铥光纤激光器泵浦一段长3 m的掺钬石英光纤，获得2.1 μm波段的光放大；环形腔中，由保偏光纤和偏振控制器构成的光纤Sagnac干涉仪，实现2.1 μm波段周期滤波，获得了2.1 μm波段多波长激光，输出功率1 mW~15 mW可调谐，最多可观测到6个波长的激光输出。通过调节环形腔内偏振控制器，能够实现2.1 μm波段1~6个波长的调谐。

在超高速相干光通信中，对偏振解复用损伤和偏振模色散的补偿一般采用恒模算法(constant modulus algorithm, CMA)。标准的CMA算法具有自适应动态均衡的功能，加权信号根据输入信号进行不断更新，是一种目前流行的盲均衡算法。通常在CMA算法中，步长系数的取值严重影响着算法收敛、误差矢量幅度(error vector magnitude, EVM)和误码率(bit error ratio, BER)性能评价。提出了一种优化的CMA算法，具有两步步长系数，可标记误差矢量函数曲线稳定时的区间。经过计算验证表明，优化的CMA算法具有不同程度的解调性能改善，能够降低X、Y偏振态的EVM，具备较好的应用性。

为了测量溶液折射率变化，对塑料光纤纤芯表面的纤芯-金层-液体的3层膜结构进行研究，制作了一种使用U型结构并结合侧边抛磨方法的表面等离子体共振传感器。将截取的一段塑料光纤弯曲成为U型，并在烘箱中通过较高温度使这段光纤的曲率固定，对弯曲部分的外表面进行抛光，暴露该位置塑料光纤芯层并在其上溅射金纳米薄膜层，将制备好的传感器浸入不同折射率的液体中，使用光谱分析仪观察光谱的移动。实验结果表明：当塑料光纤SPR传感器测量折射率变化范围在1.333~1.406的液体时，可以通过光谱观察到随着液体折射率的增大，等离子体共振吸收峰位置也不断地向波长增大的方向移动，并且二者之间存在线性关系，其灵敏度为7.5×10^-4 RIU/nm。该传感器探头具有灵敏度高、小型化、易制备、低成本的特点。

针对真随机数生成问题，提出基于大气湍流光闪烁图像的真随机数提取方法。利用相机获取波长为532 nm的激光经过大气湍流传输后的光斑图像，根据其闪烁特性，分别采用固定间隔选取和多步长选取的方式选取光斑图像，固定间隔选择50帧，多步长选择30帧、70帧和100帧，得到的光斑图像相关性很弱，相关系数均小于0.3，由于湍流效应的影响，图像中的像素点发生无规则变化，通过对像素点作组合计算以提取随机序列；通过NIST(national institute of science and technology)随机性测试的方法，对提取的随机序列进行测试。实验结果表明：固定间隔选取的随机序列随机效果一般，测试结果存在P值小于0.01的情况，而多步长选取测试的P值均大于0.01，可以通过随机性测试。