为了改进传统叠层成像系统探测距离较近，探针波束难以被有效利用的缺点，提出了基于聚焦高斯波束的太赫兹叠层成像实验系统。基于叠层成像原理，使用角谱传输理论，用聚焦的高斯波束替代传统小孔产生的衍射波束，通过计算机仿真实验验证这种替代的可行性，完成了相应的成像实验。结果表明，在0.1 THz波段采用聚焦的高斯波束进行太赫兹叠层成像是可行的，仿真与实验结果证明了此系统的可行性。在探测距离为50 mm的条件下，理论深度分辨率达到了λ/4，实验系统深度的分辨率为λ/2，充分说明了这种叠层成像系统的有效性。

为满足大型高反光构件的原位高效高精度测量，提出了一种基于双目视觉配合工业机器人的测量系统。该系统通过目标检测可以准确分割出视觉标志点所在的感兴趣区域，有效减少高反光表面造成的误提取，提高双目视觉测量系统的鲁棒性和测量效率。同时通过控制工业机器人末端运动，完成多位姿下对整个构件的测量，再通过多位姿间坐标转换关系将不同位姿测量的数据统一在同一坐标系下。实验结果表明：在1.2 m×1 m范围内拼接9个位姿后视觉测量精度RMS可达0.049 mm，整个测量系统能够有效完成对模拟舱体构件的高效高精度测量。

外腔激光器具有窄线宽、低功耗的特征，主要用于相干光通信，实际应用中外腔激光器的输出光功率会在环境温度为高温或者低温时出现下降现象。通过使用有限元商用软件Ansys分析，发现高低温下机械结构会有微小的挠度变化，相较于常温，高低温下最大的挠度角度为0.04°。外腔激光器的腔长较长，结合光路仿真软件Zemax研究发现，微小的挠度变化会引起较大的光路变化，影响耦合效率，进而导致输出光功率降低。通过实验量测证实了光路变化，并基于挠度变化引起功率降低的理论，从设计角度提出了通过缩短腔长、加厚基座的方式来减小输出光功率随环境温度的变化。提出的模型与思路可以为类似产品的功率温度相关性分析提供量化分析思路。

在光电成像系统中，动态调制传递函数受到光学系统波像差、探测组件信号分辨率及传递特性以及载体运动引起图像模糊等环节对图像质量的综合影响，成为光电成像系统的重要参数之一。论文基于光电成像系统动静态调制传递函数的测试原理，研制一种动态调制传递函数测量装置，其中光学准直系统焦距为10 000 mm，运动目标速度控制范围达到30 mm/s～5 000 mm/s，满足长焦距光电成像系统的动态调制传递函数测试。利用该装置进行了一系列的实验研究，结果表明，动态调制传递函数测量重复性优于0.01，测量不确定度达到U=0.05（k=2）。

针对光电跟踪稳定平台系统中载机振动、系统参数摄动、摩擦力矩及外部扰动等因素直接影响光电跟踪系统稳定精度的问题，从伺服控制器控制角度出发抑制跟踪系统中的偏差，提高稳定精度，保证其在复杂环境下仍具有强鲁棒性。通过建立光电跟踪稳定平台系统的数学模型，分析干扰力矩、陀螺噪声及系统参数的变化对光电稳定平台的影响，设计了基于新型非线性扩张观测器（novel nonlinear extended state observer，NNESO）和滑模变结构控制（sliding mode varianle structure control，SMVSC）的复合控制策略。理论推导和仿真实验结果表明：此种复合控制策略具备对干扰力矩、外界扰动和系统结构参数摄动的完全适应性和强鲁棒性，对比无新型非线性扩张观测器的控制系统，证明其拥有更高的稳定精度和更快的动态响应，在补偿非线性方面具有良好的效果，可增强光电跟踪稳定平台的抗扰动能力。

折反射全景光学成像系统具有平面对称光学系统的成像特性，提出应用光焦度控制方程和超大视场光学系统六阶波像差理论来初步确定系统结构初始参数，在此结构基础上，应用Zemax软件对其进行设计和优化，得到了一款仅由1块偶次非球面反射镜和6块折射透镜组成的折反射全景光学成像系统。该系统工作在可见光波段，全视场角范围为12°～178°，F数为3.5，其像差得到了较理想校正，调制传递函数在空间频率40 lp/mm处均大于0.37，成像性能较好，满足实际应用要求。同时，对设计的系统进行了公差分析。

在机器视觉的图像处理中影响图像优劣的因素有很多，其中光源照射角度是主要因素之一。为了得到更好的图像数据，对视觉系统中光源照射最佳角度进行了仿真分析与实验研究，实验中采用单一变量法，只改变光源照射角度，通过理论计算、模拟仿真和实验验证相结合，得到了最佳的光源照射角度。结合Sobel算法检验在最佳角度下和其他角度下的图像边缘质量，结果表明在光照角度为57.17°的倾角下图像光照数据和边缘图像表现最好。该实验结果对更深层次的图像处理和图像采集具有指导意义。

为了实现低频段太赫兹高斯波束整形为大尺寸平顶波束，提出了一种利用双相位板结构设计大尺寸平顶波束整形系统的方法。基于Input-Output算法，利用角谱理论计算系统参数，同时对所设计系统进行了数值仿真并搭建了实验系统，验证了出射光场的横向强度分布是否符合预期。结果表明，所设计的双相位板整形系统能够成功将0.1 THz高斯波束转换为百毫米尺寸的平顶波束，仿真结果与理论较为接近，证明了设计系统的合理性。实验中波束直径达到228 mm，虽存在部分能量泄漏，但是平坦程度很好，相对均方根甚至优于理论和仿真结果，可达89%以上，充分说明了设计方法的有效性。

针对数字微镜器件（digital micromirror device，DMD）衍射效应对系统成像影响严重的问题，对DMD元件产生的杂散光进行研究。基于严格耦合波理论构建了DMD衍射模型，分析不同波段和入射角度对其衍射效率的影响，分析结果表明，在长波红外波段DMD衍射效应较明显，且随着入射角度增大，DMD衍射效应更为显著。分析投影系统中DMD的衍射杂光产生途径，通过改变系统的F数来控制入射角度，计算出DMD衍射效应产生的杂光能量占比，给出不同波长下，不同F数的光学系统杂光随衍射效应的变化曲线，即F数越大，DMD衍射效应对系统杂光影响越小。

针对SURF（speeded-up robust features）算法计算量大、图像拼接效率低的不足，以FAST （features from accelerated segment test）角点取代SURF斑点在图像重合区域提取特征点，使用SURF描述子进行特征点描述，通过描述子降维、自适应最近邻与次近邻比值法、几何约束法剔除错误匹配点，提高匹配的准确性。匹配完成后，通过减少样本集的个数和舍弃不合理参数模型来改进RANSAC（random sample consensus）方法，获取单应性矩阵，最后进行图像变换、融合和拼接。实验结果显示，该图像拼接算法与传统的SURF算法相比，图像拼接总时间减少了12%，拼接效率得到了显著提高。

红外弱小目标检测是安防监控、侦察探测、精确制导等领域的关键技术。为了提高复杂背景条件下红外弱小目标检测的准确性和实时性，提出了一种基于深度学习的红外弱小目标检测算法YOLO-FCSP。根据红外图像中弱小目标的特点，在YOLO检测框架的基础上，通过减少下采样次数，结合跨阶段局部模块、Focus结构和空间金字塔池化结构设计了特征提取网络。借鉴多路径聚合的思路优化特征融合网络，同时调整检测输出层数量，通过信息复用提高特征利用效率。实验结果表明，本文提出的算法在检测红外弱小目标时具有较高的准确率和检测速度，精度和召回率分别为91.9%和94.6%，平均准确率(AP)值达到92.6%，检测速度达到170 f/s，满足实际应用中实时检测的需求。

在傅里叶叠层成像（FPM）过程中采集的低分辨率图像会对重建图像质量产生直接影响，已有的研究提出用图像超分辨率重建技术和对低分辨率图像进行传统去噪处理的方法来解决该问题，但超分辨率重建的方法需要采集大量的原始图像，会加大采集端的时间损耗，而传统去噪算法会造成原始信息丢失，严重影响重构图像质量。因此论文引入凸优化算法，噪声图像的恢复可以通过求解一个凸优化模型来实现，并用迭代收缩阈值算法来求解该模型，算法中采用Barzilai-Borwein（BB）规则在每次迭代时初始化线搜索步长，加快收敛速度，选用软阈值函数，使图像去噪时原始信息丢失减少，最终重构图像的PSNR为27.634 6 dB，SSIM为0.926 1，所需处理时间为5.850 s，因此基于凸优化的傅里叶叠层成像技术具有时间损耗不大的情况下提高重构图像质量的优点。

针对远距离成像系统获取的低照度降质图像增强问题，提出了一种融合Retinex和离散小波奇异值分解的图像清晰化算法。该方法首先利用自适应全尺度Retinex（adaptive full-scale retinex, AFSR）“粗”提取照度分量和反射分量，然后通过离散小波变换将所提取的图像反射分量分解为4个频率子带并估计出低频子带图像的奇异值矩阵，最后应用逆小波变换“精”重建图像。实验结果表明：所提方法处理后的低照度降质图像视觉增强效果较好，在图像对比度、信息熵、平均梯度和边缘密度等客观评价指标方面优于其他经典算法。

三维人脸的测量与分割有着广泛的应用需求，是目前重要的研究方向，但三维人脸数据的庞大、无序等问题制约了其快速发展。首先开发了基于结构光方法的三维人脸测量系统，获得以点云形式存储的高精度三维人脸数据。其次，采用保角变换对三维人脸数据进行了预处理，并采用二维卷积神经网络分割结合三维反映射的思路，实现了三维人脸的分割，解决了三维数据的无序性以及旋转性，降低了三维数据分割的时间消耗。实验结果表明，本文提出的三维人脸测量系统精度可达0.5 mm，三维分割的平均交并比可达0.78，二维分割结合三维反映射的整体效率明显高于直接进行三维分割的效率。

针对二维最大累间方差（Nobuyuki OTSU，OTSU）图像分割算法在电气设备故障诊断与定位中，其红外图像的多阈值分割中存在的耗时多、分割精度低、误分割等不足，造成故障区域欠分割或者过分割的问题，提出一种改进的萤火虫算法（glowworm swarm optimization，GSO）与二维OTSU的融合算法来提高电气设备红外图像多阈值分割的实时性与准确度。寻优过程中，将局部寻优扩展到全局寻优，并引入非线性递减步长及新的移动策略对GSO进行优化改进。实验结果表明：该融合算法在分割结果上较二维OTSU及未改进GSO与二维OTSU融合算法更能准确分割运行电气设备图像异常区域，分割速度分别提高19倍、1.28倍，为红外图像早期故障的有效识别与定位奠定基础。

几何突变导致的相位不连续一直是相位展开中具有挑战的问题。针对这一问题，提出基于方向与变换的快速不连续相位展开算法。在提出的算法中，利用图像的结构张量估计包裹相位图的方向，将方向图进行变换和差分计算得到的可靠的权重系数图作为加权最小二乘法的权重，并使用预处理共轭梯度法迭代求解。该算法可以快速地找出不连续位置，并在不连续分割后的区域进行单独的相位展开，具有很好的识别和展开效果。详细地描述了算法的原理和实现步骤，并对算法进行仿真和实验数据验证。实验结果表明：其相位展开的均方根误差为0.36，证明该算法能够快速、准确地对不连续的包裹相位进行展开。

动态场景下的图像去模糊技术是一个具有挑战性的计算机视觉问题。模糊图像不仅影响主观感受，还会影响后续的智能化分析的性能。提出了一种基于注意力残差编解码网络的动态场景图像去模糊方法。首先，编码阶段采用多个残差模块提取特征，加入空间注意力模块感知模糊的空间位置信息；其次，通过在网络中采用全局-局部残差连接策略融合多层卷积特征，减少信息丢失；最后，解码阶段生成具有清晰边缘结构的复原图像。实验结果显示，提出的算法在公开数据集上获得的峰值信噪比值为31.76 dB，结构相似性值为0.912。客观和主观质量评估表明，本文算法能够有效地复原包含丰富边缘轮廓信息的清晰图像，在对比算法中获得最优的性能。

以SRCNN（super-resolution convolutional neural network）模型为代表的超分辨率重建模型通常都有很高的PSNR（peak signal to noise ratio）和SSIM（structural similarity）值，但其在视觉感知上并不令人满意，而以SRGAN为代表的拥有高感知质量的GAN（generative adversarial networks）模型却很容易产生大量的伪细节，这表现在其PSNR和SSIM值通常都较低。针对上述问题，提出了一种基于深度反向投影的感知增强超分辨率重建模型。该模型采用双尺度自适应加权融合特征提取模块进行特征提取，然后通过深度反向投影进行上采样，最终由增强模块增强后得到最终输出。模型采用残差连接与稠密连接，有助于特征的共享以及模型的有效训练。在指标评价上，引入了基于学习的LPIPS（learned perceptual image patch similarity）度量作为新的图像感知质量评价指标，与PSNR、SSIM一起作为模型评价指标。实验结果表明，模型在测试数据集上PSNR、SSIM、LPIPS的平均值分别为27.84、0.7320、0.1258，各项指标均优于对比算法。

光学元件轴向间距测量对精密光学系统的定位和装调具有重要意义。针对现有色散共焦测量系统中色散物镜结构复杂、色散范围小的问题，提出基于偏振衍射色散共焦的光学元件轴向间距测量方法，将传统折射共焦镜头几百毫米的轴向尺寸和复杂的装调需求简化为数毫米的单片镜，简化了系统结构。透镜间距和厚度测量实验表明，间距测量误差为10 μm。

为了实时准确地将激光直写系统中经直写物镜聚焦的光斑定位于待加工元件表面，提出了一种基于波像差判据的同步相移显微干涉检焦方法，实现了对离焦量的实时检测与调整。在直写系统中引入检焦光路，与直写光路共享同一物镜，构建Linnik型同步相移显微干涉检焦系统，提取包含离焦量的波面相位信息；再从大数值孔径（NA）的物镜波像差数据中解析出离焦量的大小与方向。仿真结果验证了基于波像差判据的离焦计算方法的正确性，NA≥0.5时，离焦探测灵敏度可达4 nm, 通过实验验证了同步相移显微干涉检焦方法的可行性，检焦精度可达10 nm以内，满足激光直写高精度的测量要求。

InGaAs光电探测器是近红外波段重要的光探测器件之一，具有高量子效率、低暗电流、宽带宽等特性，被广泛应用于光电测量、光通信及遥感等领域中。基于超连续白光激光器与双单色仪的光谱比较装置，利用标准InGaAs陷阱探测器对平面InGaAs探测器在900 nm～1600 nm波段进行了相对光谱响应度的定标，并与利用钨灯作为光源的响应度定标结果进行了比较。两种光源条件下，光谱响应度在900 nm～1600 nm波段最大相对差值小于0.2%，取得了较好的一致性。超连续光源的测量重复性最大值小于0.06%，远小于使用卤钨灯的测量重复性1%，降低了因测量重复性贡献的不确定度分量，验证了超连续激光器在探测器相对光谱响应度定标中的可行性。此外，还对被定标的平面探测器光谱响应度结果进行了测量不确定度分析。

复眼式光学成像系统在大视场侦查、图像识别、目标探测等领域较传统单孔径光学系统优势突出，但随着视场的增加，子孔径本身的成像畸变及多个子孔径的安装位置误差引起的畸变会直接影响拼接图像的质量。针对该问题，采用光电测量技术对复眼系统进行畸变测量与校正，生成多模动态电子畸变测量靶标，构建畸变测量校正模型，建立多项式拟合算法，采用最小二乘法获得畸变系数，通过双线性插值法模型对图像进行重建。实验结果表明，校正后的平均相对畸变优于0.1%，满足大视场复眼式光学成像系统的畸变校正和图像拼接的精度要求。

针对飞行条件下加油软管平衡拖曳位置的获取难题，设计了一套基于图像的空中加油软管平衡拖曳位置测量方法。通过在加油机上加装多路高清影像测量系统获取空中加油过程软管的运动图像，并对多像机同步采集、大景深像机标定、无参考点加油锥套识别与跟踪等关键技术进行研究，实现了加油软管平衡拖曳位置的精确测量。仿真实验结果表明，采用该方案测量精度优于5 cm，满足飞行试验精度要求。

大功率LED阵列动态光源工作过程中光电热参数具有不确定性和时变时滞非线性特点，利用动态核主元分析方法（DKPCA）对大功率LED阵列动态光源进行在线状态观测与故障诊断能有效地捕捉观测数据的非线性和相关性特征，根据历史数据的主元特征计算出的统计量阈值和在线数据的统计特征实现故障检测，利用重构贡献图法实现故障的分离。仿真实验表明，对大功率LED阵列动态光源典型的传感器和执行器故障进行有效监测和诊断相对于核主元分析方法对故障更为敏感，故障检测率最高提高了7.5%，误检率下降了4.2%。

光纤倒像器是微光夜视仪的核心元件，大口径光纤倒像器可实现宽视场、大视野、远视距的探测，但现有的扭转成型工艺无法制备出合格产品，采用旋转差速扭转成型工艺和双内炉加热设计相结合的工艺，最终制备出性能指标符合要求的大口径光纤导像器产品。测试结果显示，扭转区域的角度集中量减少为5.98 °/mm，对大口径光纤倒像器的边缘分辨率改善效果明显。

设计了一种由类噪声脉冲抽运的全光纤结构平坦超连续谱光源。在色散管理掺铒光纤激光器中通过调节腔内偏振态，在泵浦功率为450 mW时，实现了稳定的类噪声脉冲锁模，锁模脉冲的中心波长为1 600 nm，脉冲宽度为303 fs。在最大泵浦功率为1 W时，谐振腔直接输出功率为8.6 mW。较低的功率无法有效拓展超连续谱宽度，为此设计一种掺铒光纤放大器进行功率放大，放大器最大输出功率为338 mW，将功率放大后的类噪声脉冲耦合进高非线性光纤以产生超连续谱，超连续谱的20 dB光谱范围为1 530 nm～2 300 nm，在1 736 nm～2 134 nm范围内，光谱的平坦度优于0.5 dB。

出射光束阵列布局对光纤相控阵的高功率激光相干合成性能有着重要影响。针对现有光纤相控方法的阵元间距难以突破半个波长，导致能量合成效率低的问题，提出了类视网膜多环形光纤相控方法，设计了具有圆形对称分布的结构，在保持中心阵元以及最外环阵元位置不变的情况下，通过粒子群算法优化环间其余阵元间距以获得最佳的远场相干合成性能。仿真结果表明，与传统光纤相控方法相比，提出的阵列布局可将能量集中度从0.562提升至0.921，峰值旁瓣水平从0.212压缩至0.043。

报道了一种可实现低阈值自启动的全保偏九字腔光纤激光器。谐振腔结构中使用相移器降低锁模阈值，当泵浦功率达到120 mW时，便可实现自启动的传统孤子锁模，中心波长为1530 nm，脉冲宽度为614.6 fs。随后泵浦功率逐渐增大到470 mW，实现了从孤子脉冲到类噪声脉冲的转换，在该锁模状态下的激光器输出功率为63.2 mW，对应的类噪声脉冲能量为5.69 nJ。所搭建的激光器具有低锁模阈值、自启动的优势，并且仅通过调节泵浦功率就能够实现超快脉冲和高能量脉冲间的转换，具有广泛的应用价值。