针对污染气体监测系统中机动车尾气排量计算问题, 提出了基于光流法的气体排量计算模型。该方法先通过红外相机获取多帧气体图像序列, 再经过光流法处理得到气体羽流一段时间之内的光流速度场矩阵, 最后与二维气体浓度图相结合处理得到气体瞬时排量。经过使用不同的光流法进行实验对比可知Farneback光流法在该模型中的适应性更好, 能够得到更好的处理效果, 该光流法计算得到的气体排量拟合度最大达到了93%, 并且在保证处理精度的同时运算速度也优于Lucas-Kanade光流法和Horn-Schunck光流法, 在低排放速度和高排放速度的气体排量计算中也有更好的稳定性。该方法为非接触式气体监测提供了新的思路。

对光束高精度、稳定地跟踪是自由空间激光通信链路建立的前提。引入一种改进的萤火虫算法，对比例-积分-微分(PID)控制器的参数进行优化整定，同时建立了直流力矩电机系统模型，将优化参数后的PID控制器应用到此系统中，在六维仿真台上进行了实验，结果表明：对于同一个系统，与采用齐格勒和尼克尔斯(Z-N)法相比，改进的萤火虫算法对参数整定后的PID控制器的响应速度提高了40%，带宽提高了33.3%，跟踪精度提高了25%。

在激光湍流传输仿真中，随着路径上湍流的不断增强，光斑会产生巨大的畸变，往往无法同时具备较高的仿真精度和计算效率。提出了在仿真过程中采用不同的收发平面采样网格间距的方法，实现了中强湍流信道中的激光传输仿真。该方法可以在保持采样点数不变的情况下，根据具体情况设置不同的收发平面网格间距，使得激光传输的仿真结果在不同湍流强度下都与理论值更加接近。仿真结果表明: 减小发射平面网格间距之后，闪烁指数仿真值相对误差从20%以上降低到10%以内，最低可达4.15%，波动标准差也从0.07以上减小到0.05以内，最小可达0.015。

针对无线激光通信系统的粗跟踪控制技术难点, 设计了串级粗跟踪控制结构, 引入了线性自抗扰控制器, 采用线性扩张状态观测器观测系统的总扰动, 并进行了模拟动态跟踪实验, 对比在0.5 Hz、1 Hz和2 Hz扰动下, 线性自抗扰控制器和比例积分微分控制器的控制误差。实验结果表明线性自抗扰控制器具有更高的控制精度和更好的稳定性。

基于液晶空间光调制器进行了Non-Kolmogorov湍流的室内模拟实验, 并对光强概率密度分布、光强闪烁指数及光强时间频谱进行了分析, 完成了模拟实验结果与相关湍流理论之间的对比验证.实验结果显示：在弱湍流下, 归一化对数光强近似服从正态分布, 且随着湍流强度的减小, 正态分布拟合系数增大; 光强时间频谱高频段的幂律随着湍流功率谱幂律的减小呈减小趋势, 与理论分析一致, 但具体数值小于理论预测; 闪烁指数则随着大气相干长度的增大而减小, 在大气相干长度小于0.05 m的范围内闪烁指数急剧变化, 在大气相干长度大于0.2 m之后趋近平缓, 这一变化趋势与湍流幂律无关, 与理论预测一致, 表明湍流模拟实验能较好地再现湍流对无线光通信中接收光强的影响.模拟实验的误差分析表明, 不同强度湍流的模拟实验其误差主要来源不同, 可为实验的进一步改进提供针对性建议.

为了解决无人机工作时间短、续航能力差的问题, 采用激光无线供能的方式给无人机进行续航, 提出并设计了一套基于跟踪、捕获、瞄准的激光无线能量供给系统, 并进行了理论分析, 同时在外场200m范围内进行了无人机激光无线供能实验。结果表明, 该系统整体光电转换效率约为12%, 跟踪精度优于500μrad。该研究为激光跟踪与无线供能技术用于小型航天飞行器提供了参考。

法布里-珀罗干涉仪能够实现对中高层大气风场的探测。基于扫描式法布里-珀罗干涉仪对大气风场探测的可靠性与准确性,对全空式法布里-珀罗干涉仪(All-sky FPI, ASFPI)探测风场的性能进行检验。通过2015年6月在新疆进行的全空式FPI与扫描式FPI 557.7 nm气辉观测对比实验,分析结果显示两者探测得到的视线风和水平风场具有较好的一致性,验证了全空式FPI测风性能的可靠性。

长距离高速微弱光电探测技术在激光通信中应用广泛。为了在未被噪声湮没的环境中检测出所需的微弱信号,采用平衡探测技术对单管探测和平衡探测进行对比,并且对具体的平衡探测器电路进行了理论分析和仿真,得出了在一致性系数较大(k>0.6)时平衡探测器的信噪比优于单管探测的结论。从理论上分析了单管和双管探测的最小可探测光功率。结果表明,把平衡探测技术用于高速微弱光信号探测具有很大的优越性。

针对国内长距离相干光通信接收系统采用单管探测器接收微弱信号噪声大、信噪比低等缺点，设计了一种应用于相干光通信系统的平衡探测器，运用两个PIN 管分别加跨阻放大器(TIA)，经过两个180°混频魔T 进行耦合相减，消除了大部分的激光器相对强度噪声(RIN)。搭建了测试平衡探测器的相干光通信系统，使本振光和信号光进行光混频，输出眼图显示通信状态良好。通过对比双管和单管的频谱图，进一步说明相干光通信系统的噪声通过这种平衡探测器得到了降低，系统的信噪比提高了大约10 dB，从而证明了该平衡探测器运用于相干光通信系统的可行性和优越性。

热层大气风速的测量可以采用干涉法来进行，由于光源(气辉辐射谱线)的强度很弱，故干涉法对测量系统要求很高。利用半导体激光器(LD)的调制特性和法布里-帕罗干涉仪(FPI)的高光谱分辨能力设计了一种用简单设备进行大气风场模拟与测量的方法。改变LD的驱动电流使其输出激光频率改变，从而模拟气辉辐射的多普勒频移，通过分析FPI获得的干涉图可检测出该频移，进而得到等效风速。模拟风速的相对误差不超过6.5%，最小模拟风速为20.01m/s，且测量结果与LD的线性调制特性很相符。使用该方法可以有效地对多普勒风速测量原理、数据处理方法、系统性能以及测量误差进行分析和评估。