光机系统中支撑结构与光学元件的接触位置、接触面积、接触应力及支撑结构的柔度是光学系统成像质量的重要影响因素，为了降低因垂直方向支撑引起的几何像差，以像差指数PV值为优化目标，对单个透镜接触支撑结构进行了拓扑优化设计。首先建立接触拓扑优化模型，以采用Signorini接触条件建立的刚性支撑单向接触中的线弹性结构为例，验证了接触拓扑优化模型的正确性。用透镜变形函数来描述透镜的像差指数PV值，将其作为拓扑模型的优化目标。采用SIMP方法描述拓扑优化设计变量，采用扩展后的拉格朗日算子求解接触条件。采用MMA优化算法求解拓扑优化模型的最优解。通过拓扑优化设计变量的最优解，定义了满足几何畸变要求的支撑结构的最优拓扑结构。结果表明，该方法可使透镜PV值降低14%，面形RMS值降低13.8%。同时搭建实验平台，对透镜PV值和RMS值进行测试，得到的最佳接触支撑结构的支持试验结果表明，平面反射镜表面PV值分别降低了60.4%和42.9%，面形RMS值分别降低了74.3%和38.9%，优化后的接触支撑结构有效地提高了高精度单透镜支架的精度，具有很大的实际应用潜力。

为评估分集收发技术在近海面激光通信系统应用中对大气湍流扰动的抑制作用，设计了基于对多路1 550 nm激光光斑同步采集的验证实验方案。采用由时统终端触发的FPGA+多核DSP架构的实时图像处理系统实现目标中心位置的提取与目标灰度和的统计，进而得到激光从发射端至接收端的到达角起伏方差和闪烁指数。分别比较了等功率条件下单路发射和双路发射间、双孔径接收与等效单孔径接收间的到达角起伏方差和闪烁指数，同时比较了不同跨距下双孔径接收的效果。实验表明，在发射功率相同的情况下，与单路发射相比，双路发射能够有效地抑制因大气湍流扰动产生的到达角起伏和光强闪烁；在接收面积相同情况下，双孔径接收较单孔径接收所产生的到达角起伏与光强闪烁更弱，且在一定范围内，双孔径间的跨距存在最优值。

针对定量评估大气湍流对近海激光通信影响的问题，提出了基于对850 nm 和1550 nm 波段激光光斑同步采集的大气折射率结构常数测量方案。采用现场可编程门阵列(FPGA)+多核数字信号处理器(DSP)架构的实时图像处理系统实现目标中心位置的提取与目标灰度和的统计，进而得到激光自发射端至接收端的到达角起伏方差和闪烁指数。将两个不同波段的同步采集结果分别代入已有的大气折射率结构常数计算模型中，比较同一模型不同波段所得结果的相似性，并对相应模型中的参数进行修正，使同一时刻及环境的两种波段条件下，经修正模型计算得到的大气折射率结构常数相对稳定可靠。实验结果表明，采用改进模型对大气折射率结构常数进行计算，所得结果相似度不低于80%，可作为定量评估大气湍流对近海激光通信影响的重要参数。

针对激光通信捕获、跟踪、瞄准系统对光斑位置检测精度的需求，提出了基于互补金属氧化物半导体探测器的光斑位置检测精度评价方法，并用此方法量化了常用的滤波算法对光斑位置检测精度的影响。利用高精度位移平台测试相机的随机误差和系统误差，分别采用中值滤波、均值滤波、高通滤波、形态学滤波对光斑图像进行处理，并计算滤波后光斑的质心位置，比较滤波前后光斑位置的检测精度，评价滤波算法对位置检测的影响。实验表明，滤波会降低光斑位置检测精度，进而根据实验结果提出了避免上述精度降低问题出现的方法。

为了实现激光通信系统对信标光的捕获、跟踪与瞄准, 采用嵌入式图像处理技术设计了基于现场可编程门阵列器件的高速激光光斑检测系统, 对分辨率为300pixel×300pixel、帧频1000Hz序列图像中的激光光斑目标进行了提取操作。采用1维滤波算子构造方位滤波器进行图像预处理, 同时便于硬件实现, 滤波后经阈值分割、形态学开运算与连通域分析, 最后提取了激光光斑的形心位置信息。结果表明, 所设计系统能够对包含激光光斑目标的高帧频图像进行实时处理。目标形心提取频率可以满足激光通信系统在动态链路建立方面的要求。

针对利用高精度菲索型干涉仪和旋转平均法对光学元件进行面形绝对检测时对旋转精度的要求, 提出了一种旋转误差校正模型来修正面形绝对检测中的旋转非对称项误差。首先基于经典N步旋转平均法理论, 通过泽尼克多项式给出面形误差的数学表达形式; 然后根据旋转角度所引起的误差修正泽尼克系数进而修正旋转非对称项误差; 最后用数值仿真及实验的方法验证了校正模型的正确性。在旋转角度误差为0.1°条件下的仿真结果显示: N步旋转平均法所得面形误差RMS值为真实面形的10.13%, 校正后面形误差RMS值为真实面形的6.79%; 实验结果显示: N步旋转平均法所得面形误差RMS值为真实面形的10.28%, 校正后面形误差RMS值为真实面形的5.77%。这些结果证明所提出的校正模型准确可靠, 提高了旋转平均法的检测精度。

讨论了刑事案件侦破过程涉及的足迹检验方法。考虑现有的足迹比对研究没有将足迹的深度信息与纹理信息分离后进行比对, 提出了一种融合纹理特征与深度信息的比对方法来实现足迹的自动比对功能。该方法通过四步相移补偿法来获取真实足迹特征的三维信息; 利用改进的二维高斯滤波器分离足迹的表面纹理特征与深度信息。最后, 采用区域互相关测度分别计算不同三维足迹信息中纹理信息之间和深度信息之间的相似度, 并按一定策略将量化的相似度信息转化为定性的判别结果。实验结果表明, 提出的方法能够有效分离足迹中的纹理信息和深度信息, 并能通过软件编程实现计算机对足迹的自动比对。与传统的针对二维图像灰度信息的足迹对比方法相比, 提出的算法能够描述真实的足迹形貌, 在现有数据集范围内, 自动比对正确率不低于90%; 加入人工干预后, 比对正确率可达100%。 得到的结果验证了提出方法的有效性。

针对三维枪弹痕迹比对中的数据配准问题，提出了一种采用区域特征匹配的配准算法。在通过干涉仪获取枪弹痕迹三维数据后，首先采用基于剪切波的多尺度几何分析方法对数据去噪，以保证去除噪声的同时减少有效信息的损失，然后采用改进的一维高斯滤波器分离三维枪弹痕迹中的轮廓信息和纹理细节，另外，将三维弹痕纹理信息进行分区，并通过纹理信息中擦划痕迹明显的特征区域进行数据配准，最后，在配准过程中引入齐次变换矩阵以提高配准精度，并采用计算不同数据间互相关测度值的方法评价配准效果，通过纹理信息的配准结果完成原始三维枪弹痕迹的配准。实验结果表明，所提出的配准算法能够提高弹痕自动比对正确率，在现有样本及自动比对方法情况下，能够将比对正确率从90%提高至98%。

针对红外预警系统分析可疑来袭目标时减少反应时间和降低虚警率之间的矛盾, 提出了一种采用多级预警机制的红外预警实时图像处理系统设计方案, 设置告警级别, 针对不同探测与处理结果给出不同级别的告警信号。同时针对推扫式红外预警系统的成像特点, 采用多路处理方法以提升系统实时性。硬件方面为满足多级预警与多路处理方法的需求, 基于 Xilinx公司的 Virtex 5系列 FPGA与 TI公司 TMS320C6455型高速 DSP为核心处理器设计多核架构, 开发了 FPGA内部的 DSP运算内核, 增强了系统的运算能力。实验表明, 采用多级红外预警和多路处理技术能够在满足虚警率要求的同时提升系统的实效性。

为实现红外预警系统中高速图像的实时显示和存储功能,以Xilinx公司的Virtex 5系列FPGA 芯片为核心处理器设计高速红外图像实时显示与存储系统,系统首先通过光纤端口接收高速图像数据,将数据复制后分两路通过PCI-e接口分别发送至控制计算机以进行显示和存储。设计过程中光通信模块与PCI-e通信模块通过FPGA内核实现,不需要额外采用相关控制芯片,从而减少了系统功耗,增强了系统集成性。实验结果表明,通过PCI-e接口实现处理系统与计算机间通信较传统的PCI接口能大幅提高通信速率,采用x1模式时,实际通信速率可达784 MByte／s,满足红外预警系统实时性方面的要求。