构建了具有单光子成像能力的光子成像系统，提出应用管道滤波方法实现对光子受限静止点目标的探测。分析了光子图像静止点目标与点状噪声特征，根据静止点目标在序列图像中位置的确定性以及噪声点的不相关性，研究了基于管道滤波的光子成像静止点目标探测方法。为降低目标探测的虚警概率，优化了管道滤波直径。以实验采集得到的多组光子图像序列为样本，获得了探测概率、虚警概率与信号光子数、噪声光子数、管道长度以及检测阈值的关系。检测结果显示，对信号与噪声的平均发生率为0.4和5.215的序列图像，当管道长度为9、检测阈值为2时，探测概率达0.9以上且虚警概率＜0.08。对比多组图像序列的检测结果表明，影响探测概率的主要参数是信号光子数，而影响虚警概率的主要参数是噪声光子数。

在去除光子图像的本底噪声时，根据微弱点目标的探测统计特性，以泊松分布均值与方差相等的特点为判据，提出了一种确定阈值选取范围的新方法。利用点过程的分析方法研究了光子受限点目标的探测统计特性，并进行了实验研究，结果表明光子受限点目标的探测统计特性服从平稳泊松点过程。利用以上分析方法可以快速地获得微弱点目标事件的期 望发生率，以及在下一段时间内目标至少再出现一次的概率，从而为后续的目标探测、跟踪以及位置预测奠定了基础。

高分辨率空间光学遥感器在轨工作时，由于受到各种因素的影响，无法清晰成像，目前多采用自适应光学方法与技术进行校正。传统自适应光学系统体积较大，结构复杂，难以应用于高分辨率空间光学系统的在轨校正。无波前传感器自适应光学系统去除了传统自适应光学中的波前传感器，大大简化了系统结构，具有体积小、易于实现等优势，特别适用于高分辨率空间光学遥感器的在轨校正。提出了一种利用无波前传感器自适应光学解决高分辨率空间光学遥感器大口径面形误差校正以及宽视场校正等问题的方法。通过对典型的三反射式空间光学遥感器进行仿真研究，验证了利用无波前传感器方法校正大口径主镜面形误差的有效性。搭建了宽视场校正原理性实验平台，通过实验验证了宽视场无波前传感器校正方法的有效性。

高分辨率空间遥感器要求大系统口径，然而单块大口径主镜的制造非常困难，而且受到运载火箭整流罩尺寸的限制，主镜口径增大程度有限，所以人们采用分块子镜拼接成一个整镜的方案来解决这一问题，但是分块子镜面形误差和曲率半径的不一致性会影响到整个系统的性能。提出利用位于出瞳处的变形镜对上述误差进行校正的方案，替代了现行的利用分块镜自身致动器进行校正的方法，并且进行了仿真分析，结果表明，该方案在一定条件下可以很好的补偿上述两种误差。

高分辨率三反射式空间光学系统的三个镜子之间的相对位置误差会影响整个系统的性能，需要进行空间在轨调校。提出一种新的无波前传感综合校正方法，将随机并行梯度下降算法、相位变更法和灵敏度矩阵反演法相结合，既保留了灵敏度矩阵反演法的校正精度，又大大提高了可校正误差的动态范围。该方法无须使用波前传感器，系统简单，实现容易。对一个典型的三反射式空间光学系统进行了大动态范围位置误差在轨综合校正的计算机仿真，结果表明，该方法大大提高了可校正误差范围，同时实现了很高的校正精度。

光学相干层析术(optical coherence tomography, 简称OCT)具有非侵入性, 高分辨及高速成像的优点, 特别适合于生物医学领域. 但由于大部分生物组织具高散射系数, 通常仅能对表层组织下数毫米深度内进行成像. 穿透深度不足限制了OCT在皮肤科等领域应用. 作为常见多发病的鲜红斑痣具有病变组织浅, 血管增生明显等特点, 所以OCT非常适于鲜红斑痣的检测. 通过选择皮肤穿透性好的中心波长为1310nm超辐射二极管, 合理优化样品臂和参考臂光强比例及偏振控制, 实现了对鲜红斑痣在体成像研究, 采集了清晰的OCT图像, 得到其关键特征参数, 如表皮层厚度, 血管直径等, 对鲜红斑痣的诊断及制定合理治疗方案具有重要意义.

将随机并行梯度下降(SPGD)算法应用于共轴三镜系统次镜，无需进行误差测量，可直接通过调节次镜的6 个自由度，寻求评价函数的最优值，从而简化了次镜的校准。分析了影响随机并行梯度下降算法校正速度的主要因素，并对其进行优化。仿真计算结果表明，在各参量选取合适的情况下，系统峰谷值及均方根显著改善，从而验证了SPGD 算法用于校准次镜的可能性。

在光子噪声受限条件下的图像中,其信号和噪声均服从泊松分布并呈现散粒状态,且由于该图像信噪比较低,目标难以被探测和识别,为此提出一种基于统计理论和广义似然比检验(GLRT)的目标探测方法来解决该条件下的目标探测问题。该方法在仅有目标物灰度图像已知的情况下,使用泊松分布概率函数和广义似然比检验方法得到统计判决公式,通过该公式计算原始图像中各个位置的检验器值,对光子图像进行目标探测。仿真和实验结果表明,该方法具有较好的目标探测性能,验证了算法的有效性和实用性。

针对同轴偏场三反射镜系统用Zemax软件建立了主镜分块模型, 提出了基于灵敏度矩阵反演的分块镜位置误差校正方法。对于非圆形的环扇形分块镜, 采用环扇域正交的Zernike多项式拟合出瞳波像差。仿真计算了分块镜的灵敏度矩阵, 验证了分块镜位置误差和出瞳像差变化量间的线性关系。仿真结果表明,当分块镜具有五个校正自由度时可以将光学系统恢复到设计状态, 当分块镜只有三个校正自由度时会有少量剩余误差。

分块式空间望远镜的波前传感及控制方法是实现高分辨率成像的关键。空间望远镜在轨展开后, 由于空间环境及光学系统本身的特点, 存在位置和面形误差, 波前误差动态范围大、空间频率覆盖宽, 需要采用分级校正的方法逐步减小误差。给出了波前校正流程及相应的波前传感及控制方法。利用Zemax软件建立了同轴偏场三反射镜系统仿真模型, 并对主镜进行了分块设计。针对该系统模型, 建立了分块式空间望远镜系统波前传感及控制集成仿真软件, 通过分析分块主镜的波前误差校正过程验证了算法的可行性。