为满足天文观测及激光通信等领域的1000单元级以下的自适应光学(AO)系统的高速实时处理的要求,提出一种单板上实现高速实时计算的通用化技术方案。采用多核CPU实时计算波前,结合高速图像采集卡,以满足系统高帧频的需求；计算机系统采用Xenomai实时操作系统及Linux操作系统，以满足AO 系统低延迟的需求；实现了在单台计算机上集成实时处理与监控的紧凑型处理系统。采用向量指令优化及多核并行运算，在6核的计算平台上获取了峰值每秒510亿次浮点运算的计算能力，102 GB/s的通信带宽。仿真结果表明可以对1145个驱动器，949个子孔径的系统进行2000 Hz的处理，处理延迟低于240 μs；通过修改参数后，应用于光通信的137单元AO系统中，校正后斯特列尔比为0.61。结果表明该处理方案能满足1145单元以下AO 系统2000 Hz实时处理的需要,并具有通用性。

针对激光主动成像中的波前畸变和散斑噪声，分析了散斑噪声对基于图像指标优化的波前校正性能影响。通过仿真不同散斑噪声水平下图像清晰度指标值随波前均方根值的变化趋势，研究了散斑噪声对波前校正性能的影响。在此基础上，通过开展大气湍流波前畸变闭环校正数值仿真，对分析结果进行了验证。研究结果表明：随着散斑噪声的增大，图像清晰度指标随波前均方根(RMS)值的单调性和线性度明显变差，尤其是在RMS小于1 rad范围内，导致收敛速度和最终的校正精度变差；当散斑噪声较大时，随着波前畸变的增大，散斑噪声对校正性能的影响也越大。

围绕未来固态大功率激光系统中低阶像差补偿的需求，开展了边缘驱动变形反射镜的优化设计和仿真分析。提出了4 臂边缘驱动变形镜设计结构，并建立了仿真模型，以变形镜拟合残差面形的均方根(RMS)值和峰-谷(PV)值为目标，分析了不同结构参数对变形镜校正低阶像差能力的影响。根据对离焦、像散和彗差校正拟合残差面形的RMS值和PV 值随结构参数变化的曲线，确定了变形镜的最佳设计参数并给出了该参数下拟合离焦、像散和彗差的残差面形RMS值和PV 值。对于PV 值分别为20、10、10 μm 的离焦、像散和彗差，拟合残差面形RMS值和PV 值分别为0.2366 μm 和1.3762 μm、0.0112 μm 和0.1146 μm 以及0.1606 μm 和0.9773 μm。以上结果表明，设计的4 臂边缘驱动变形镜的校正效果符合设计要求。

建立了采用相关波前探测算法(Correlation wave-front sensing algorithm, COR)的自适应光学(Adaptive Optics, AO)系统的数值模型, 对准直光束大气传输自适应光学校正进行了数值模拟, 分析了不同热晕强度条件下光子噪声和读出噪声对系统校正效果的影响, 并与质心(Center of Gravity, COG)算法和阈值质心(Threshold Center of Gravity, TCOG)算法进行了对比。数值模拟结果表明, COR算法对噪声和热晕强度的变化具有更好的鲁棒性, 可以提高夏克-哈特曼波前探测器(Shack-Hartmann Wave-front Sensor, SH-WFS)在低信噪比(Signal to Noise Ratio, SNR)条件下的波前探测精度, 同时还可以较好地抑制噪声诱发的相位补偿不稳定性(Phase Compensation Instability, PCI), 改善低信噪比条件下大气热晕校正的稳定性。

针对相干光照明空间外差式探测主动成像中的波前畸变, 提出一种基于图像指标优化的数字式快速校正方法。建立了实验装置, 通过数值分割将整个孔径上的目标光复振幅分割为4个子区域, 在此基础上首先利用随机并行梯度下降算法并行校正子区域内的高阶像差, 然后以其中一个子区域为参考, 并行校正子区域间的波前平移和倾斜。实验结果表明, 直接利用随机并行梯度下降算法校正需要至少600次迭代, 而文中所提出的方法校正需要大约100次迭代, 而且运算量更小, 因此大幅提高了波前畸变的校正效率。

在实验上对光激发电荷畴进行有效的猝灭, 是利用具有雪崩倍增效应的非线性砷化镓光电导开关作为太赫兹辐射源的关键问题之一。提出了基于双光束红外激光来猝灭砷化镓光电导开关的非线性模式的初步实验方法, 两束激光时延为100 ps, 其中第二束为猝灭光。实验中, 12 mm间隙的砷化镓光电导开关偏置电压可达到32 kV, 输出电流为900 A。同时, 14 mm间隙开关在20 kV偏置、毫焦光能触发条件下, 可连续工作230次, 输出波形具有较好的重复性。结果表明, 双光束红外激光能够猝灭非线性模式, 重复工作性能稳定, 对高重复频率触发下光电导方法产生高功率太赫兹辐射的研究奠定了前期实验基础。

由于光学平台的结构性谐振以及风吹抖动等因素造成的光轴抖动在很大程度上会降低自适应光学系统的性能, 若采用常规积分控制器对这种高频窄带的扰动信号进行抑制, 收效甚微, 而且有可能将其放大, 使得系统无法正常工作。以实际系统观测数据为基础, 分析了该扰动的频域特性。针对该扰动的峰值频率以及带宽, 借助Smith预测器, 提出了一种稳定高效且易于实施的控制器设计方法, 讨论了控制器参数与其滤波特性之间的关系, 分析了这种控制器对控制对象参数变化的鲁棒性。结果表明, 采用新型控制器可以将由光轴抖动引起的单轴倾斜像差的方差降低约60%, 弥补了常规控制器的不足。

利用2011~2014年MODIS云产品数据对北极地区夏季卷云的出现概率、云顶温度、云顶高度、光学厚度、有效粒径大小进行统计分析, 并讨论了北极地区夏季卷云有效粒径大小和卷云高度的关系。结果表明, 北极地区上空夏季卷云出现概率最高, 水云较少。卷云云顶温度主要分布在230～272 K(即-43～-5 ℃), 其云顶高度主要在2～8 km, 4.5～6 km出现概率最大。卷云的光学厚度主要在小于10范围内。卷云的有效粒径在5～40 μm之间, 10～20 μm出现概率最大。卷云的有效粒径和高度的关系与中纬度地区相反, 北极地区卷云高度越高, 卷云有效粒径越大。北极地区卷云随着纬度增大, 卷云出现概率增加, 卷云云顶温度降低, 卷云高度增加, 卷云有效粒径增大, 卷云光学厚度增大。

主要研究激光束在盐水和沙子两种下垫面上方传输时的波前特性, 并采用自适应光学系统对波前畸变进行校正。建立了激光传输实验平台, 基于自适应光学系统的输入输出数据建立了自适应光学系统模型, 基于该模型设计了自适应光学系统闭环控制器, 对比了激光束在两种下垫面上方传输时的波前畸变特性与自适应光学系统校正的差异。实验结果显示, 在同样辐射加热的条件下, 沙面上方的空气湍流对激光束波前影响更剧烈; 经自适应光学系统校正后, 波前传感器点位移方差在盐水情况下减少了28%, 而在沙子情况下减少了10%。该研究为在海洋环境中利用闭环自适应光学系统进行光束波前畸变校正的可行性做出了初步探索。

斜率算法对哈特曼-夏克传感器非常重要，而基于归一化互相关斜率算法的哈特曼-夏克传感器可满足强噪声情况下点光源和扩展目标的斜率探测需求。为解决互相关斜率处理器可移植性差的问题，提出用多核中央处理器(CPU)来实现斜率探测。在优化归一化互相关算法的基础上，编程实现斜率探测，并从多核并行和运算向量化两方面优化程序，提升斜率提取速度。当模板分辨率为9 pixel×9 pixel时，优化程序在Intel(R) Core(TM) i7-3770k四核计算机上运行，完成400 个15 pixel×15 pixel的子孔径斜率提取，用时约为340 μs。搭建了自适应光学系统，对优化后的斜率算法进行系统闭环测试。结果表明，使用多核CPU 的相关哈特曼-夏克自适应光学系统能在强噪声环境下进行有效的波前校正。