针对大动态范围下运动目标速度测量受限的问题，提出四光相干混频探测方法，通过提取多普勒频率以及移频量与多普勒差频可以实现更大动态范围的速度测量。在四光相干混频探测过程中，存在输出信号多和信号判别难度大的问题。为了解决以上问题，提出并设计空间偏振分光结构的四光相干混频探测结构，使用偏振分光技术实现四路输出信号的完全空间分离，可以避免信号之间的相互影响，降低信号处理的难度。从理论上对结构进行原理分析，并使用光学仿真软件对其进行仿真分析，验证理论和结构的可行性，同时可根据不同探测器输出信号判断目标的运动方向。

利用光束的交叉谱密度函数得到了部分相干光的光强分布和相干长度的表达式, 并基于该表达式就光源不同相干参数、不同湍流强度对部分相干光在水平大气传输中的光强分布和相干长度的影响效应进行了数值模拟, 且与完全相干光进行了比较分析。研究结果表明: 在自由空间传输过程中光强分布主要受衍射引起的展宽影响, 光源相干参数越大光束的相干长度值越大。在湍流大气中, 光源相干参数越大光强分布和相干长度受湍流大气强度变化影响越小。随着湍流强度和传输距离的增加, 光束展宽效应增加, 同时由于湍流叠加效应导致光束的相干长度下降。

针对高速运动目标激光相干探测最大测量速度受限的问题,提出了一种四光相干混频大动态范围的多普勒测量方法。与传统激光相干探测相比,该方法可将最大测量速度提高一倍,实现高速和超高速目标的速度测量。由于四光相干混频探测系统比外差激光相干探测系统多了一束本振光,导致本振散粒噪声增加。因此,根据信噪比定义推导出四光相干混频探测系统的信噪比公式,并利用该公式从相干长度、接收孔径、失配角三个方面进行了理论和数值分析,得到了相干长度和接收孔径之间的最优关系。

采用双频激光相干探测技术实现高速目标的多普勒测量。结合随机统计理论和维纳-欣钦定理推导得到存在强度扰动时双频激光相干探测的信号功率谱函数,基于理论模型分析了拍频线宽和扰动频率对信号功率谱的影响,并进行了数值仿真和实验研究。结果表明,功率谱分布表现为洛伦兹型,在远距离探测时,拍频信号线宽的增加使功率谱展宽。强度扰动频率接近多普勒频移量时,功率谱展宽,幅度下降,这增加了频谱提取难度,降低了多普勒测量精度。

以基于猫眼效应的逆向调制激光通信为应用背景,将猫眼镜头的角失调量转化为线失调量,在柯林斯(Collins)衍射公式的基础上建立了大视场猫眼回波功率分布模型。仿真分析了离焦量、入射角、猫眼口径和焦距对回波功率分布的影响及猫眼回波光束的原路返回特性,并进行了实验验证。结果表明:入射角越大,回波光斑的面积越小,衍射越强烈,且相同入射角下,猫眼的口径越大,焦距越小,回波光斑受入射角的影响就越小;同等离焦量下正离焦回波光斑的发散角小于负离焦;猫眼回波的中心偏移量与入射角和离焦量呈线性关系,且存在一个正离焦量值使回波光束能够原路返回。

猫眼逆向调制自由空间激光通信技术相比传统激光通信技术更具优势。本文介绍了逆向调制自由空间激光通信技术的原理和猫眼逆向调制终端的原理结构。综述了国内外猫眼逆向调制自由空间激光通信技术在调制器特性、猫眼光学系统和技术应用3个方面的研究现状。分析了猫眼逆向调制自由空间激光通信的关键技术。最后, 展望了该项技术的应用前景。

从光学系统出发介绍了基于图像处理的离焦图像成像原理,分析了传统基于灰度梯度的自动调焦算法的缺陷——灰度梯度考虑不全面并且易受噪音影响.针对传统算法不足，提出了基于图像灰度梯度最大值累加的自动调焦算法.该算法通过计算中心像素的八邻域灰度梯度，以自动聚焦区域内各像素最大灰度梯度与最大灰度与最小梯度差值乘积之和作为新的评价函数，分析了该算法可以抑制噪音影响的原理；介绍了焦点搜索自适应变步长爬山算法原理和实现过程；最后进行算法性能实验验证.首先，利用不同算法对序列图像和加入高斯噪音的图像进行清晰度评价，结果证明该算法对含噪图像的清晰度评价准确，与传统算法相比该算法在抑制噪音方面具有优越性；其次，用不同聚焦算法进行序列图像自动调焦实验，结果显示传统算法会出现错误聚焦的情况，而该算法聚焦准确迅速，相比于传统算法具有明显优势.

介绍了逆向调制自由空间激光通信技术的原理和优势。分别对角反射器逆向调制器和猫眼逆向调制器的工作原理进行介绍，归纳这两种逆向调制器的不同实现类型及其特点，对逆向调制器的研究现状进行综述。概括了逆向调制自由空间激光通信技术的应用现状。讨论了逆向调制自由空间激光通信技术的关键技术和技术难点，展望了该技术未来的发展方向和应用前景。

运用Collins衍射积分公式以及将硬边光阑窗口函数展开为有限个复高斯函数之和的方法，推导了倾斜探测光束通过有中心遮挡和探测器倾斜的猫眼光学镜头的三维解析传输公式。通过数值计算分析了畸变反射光束的回程传输特性。研究表明，入射角和探测器倾斜角的存在导致反射光束产生不对称畸变，且反射光中心相对原路返回位置存在偏差。中心遮挡和入射角的存在导致反射光束成为扭曲的空心光束。随着回程传输距离的增大，畸变的反射光束逐渐演变为实心单峰光束。