为了实现二维平面上以单光子的灵敏度探测光强分布,提出了一种基于多阳极光电倍增管的阵列型光子计数器。并通过高频甄别技术和等幅放大技术实现对光电脉冲的低噪声恒定放大、解串扰技术消除相邻像素间的串扰影响,最终完成了8×8阵列型光子计数器的研制。测试结果表明,本阵列型光子计数器的单像素的最大计数率为100MCPS,峰值光子探测效率约21.2％,帧频最高可以达到10 kHz,在1.8 m望远镜平台上可以稳定探测10等星以内的暗弱天体。

在硬件资源有限的情况下，为了支持尽可能多的子孔径进行实时波前斜率处理，提出了一种基于累加器的波前斜率处理器。该处理器的运算核心是子光斑质心计算模块，根据二维图像矩计算的可分解性以及一维矩的递推累加求解方法，用加法运算代替子孔径坐标与像素灰度的乘法运算，获得灰度重心法所需的所有二维低阶矩。该模块仅由5个累加器组成，硬件实现时避免了乘法器的使用，降低了资源消耗。仿真实验结果表明：对于22×22方形排布的哈特曼-夏克波前传感器图像，本文的结构可在FPGA内实现；在100 MHz的工作频率下，完成一帧所有子孔径斜率计算的延迟时间为0.33 μs，计算误差<0.002 pixel；与传统的波前斜率处理器相比，其逻辑资源消耗减小了40%左右。所提出的结构能够在不增加额外资源的情况下，通过对原波前斜率处理器进行升级来完成，其支持的子孔径数目增加1倍左右，实现了波前斜率的高速、高精度提取。

光斑质心定位在光学精密跟踪和精密测量中是一项关键技术，其精度和速度直接影响了光学测量的精度和响应速度。在实际应用中，往往把灰度重心法与图像预处理方法结合起来，以提高光斑质心计算的可靠性。运用图像预处理技术有效地抑制了噪声的影响，同时也会消耗大量的逻辑资源。针对在资源受限的条件下采用灰度重心法计算光斑质心的问题，本文提出了一种无需乘法器的光斑质心计算方法，用加法运算代替乘法运算，使用递推方法完成质心计算所需的低阶矩的运算。该方法的硬件仅为5 个累加器，结构简单，能够以更低的资源消耗实现光斑质心定位。通过并行技术和流水线技术，其工作频率达到515 MHz。实验证明：本文的结构在FPGA 内实现，在100 MHz 的工作频率下，完成一帧质心计算的延时为0.35 μs，误差与传统质心方法一致，占用214 个Slices，其资源消耗仅为常规灰度重心法的50%。

大规模自适应光学系统要求哈特曼-夏克波前传感器的子孔径数目巨大，这势必会增加波前斜率提取电路实现的难度。为了在大规模自适应光学系统中进行波前斜率提取，提出了一种相关算法的实现结构，以高斯光斑作为参考模板，通过两次级联滤波完成子孔径光斑之间的相关运算，并得到局部波前斜率。与多通道并行处理的实现结构相比，本文所提出的结构实现的硬件成本不会随着子孔径规模的增大而显著增加，特别适用于大规模自适应光学系统的波前斜率提取。实验结果表明：对于8×8 方形排布的哈特曼-夏克波前传感器图像，本文的结构用FPGA 内实现，在27 MHz 的工作频率下，完成一帧所有子孔径斜率计算的延迟为1.2 μs，均方根误差小于0.02个像素，最大误差不超过0.04 个像素。而资源消耗仅仅为925 个Slices。本结构能够满足大规模自适应光学系统中波前斜率探测高速实时和高精度要求。

提出了一种基于几何特征点的扩展目标跟踪方法,该方法借鉴模板匹配跟踪的思想,以目标的几何特征点作为模板进行目标跟踪。把多尺度Harris 特征点检测与SIFT 描述子相结合,用于几何特征点的提取和描述,接着引入加权相似性度量公式和更新策略以提高特征点的匹配精度,从而实现更加稳定的跟踪。试验表明,该算法可以稳定地跟踪姿态剧烈变化的扩展目标。

提出了一种新的基于哈特曼波前传感器(SHWS)的光学读出系统。该系统利用SHWS探测焦平面阵列(FPA)单元在受热前后反射波前斜率的变化量重构被探测物体的红外辐射图像。在理论上详细讨论其成像性能后,实验获得了单元尺寸为60 μm×60 μm,阵列大小为34 pixel×38 pixel的高温物体红外图像,其噪声等效温度差(NETD)约为3.8 K。优化系统参数设计,可以提高哈特曼波前传感器对到达角的测量精度进而获得更小的噪声等效温度差。