视觉里程计在智能机器人、自动驾驶等领域有着广泛的应用。但是基于有限视场(FOV)针孔相机的经典视觉里程计算法容易受到环境中运动物体和相机快速旋转的影响,在实际应用中鲁棒性和精度不足。针对这一问题,提出全景环带语义视觉里程计。通过将具有超大视场的全景环带成像系统应用到视觉里程计,并将基于深度学习的全景环带语义分割所提供的语义信息耦合到算法的各个模块,减小运动物体和快速旋转的影响,提高在应对这两种挑战性场景时算法性能。实验结果表明,相较于经典的视觉里程计,所提算法在实际环境下可以实现更加精确和鲁棒的位姿估计。

提出了一种新型的采用多纵模激光器作为发射光源的大气气溶胶遥感高光谱分辨率激光雷达(HSRL)技术。该技术将视场展宽迈克耳孙干涉仪(FWMI)作为光谱鉴频器，并在设计FWMI时使其周期鉴频特性与多纵模激光器的模式间隔相匹配，因而每个纵模的回波信号可被FWMI鉴频器进行效果一致的精细光谱分离。详细阐明了所提出的多纵模HSRL的原理和实现方式，定量讨论了制约多纵模HSRL中FWMI鉴频性能的主要因素。在1064 nm波段采用计算机仿真验证了所提技术的性能。多纵模HSRL技术可避免目前HSRL对单纵模激光器的依赖，既能减小HSRL中激光器的成本、体积和重量，又可以大幅提升了HSRL激光系统的稳定性，对我国机载和星载HSRL的研制具有一定的借鉴意义。

针对现有普通偏振分光棱镜（PBS）消光比低、偏振串扰等不足，提出一种由PBS和偏振片构成的高精度偏振分光系统。在PBS的反射通道和透射通道插入偏振片，并调整偏振片的透光轴方向，以便最大程度地抑制偏振串扰。理论计算和数值仿真一致表明，该偏振分光系统能够实现更高精度的偏振分光。实验测得，当入射光强度比为-47.5 dB时，普通PBS的偏振分光误差为57.3%，添加了偏振片的偏振分光系统的偏振分光误差为14.3%；而当入射光强度比为47.8 dB时，普通PBS的偏振分光误差为15.5%, 添加了偏振片的偏振分光系统的偏振分光误差为8.6%。提出的偏振分光系统简单实用，可广泛应用于偏振光学系统中。

星敏感器是一种精度达到角秒级的空间姿态测量装置，它的成像组件包括光学镜头和图像传感器(以CMOSAPS 为主流)。本文主要关注星敏感器APS 的装配，从理论上推导了APS 的空间位姿参量对计算观测矢量的影响，从而提出了一种在装配过程中控制及标定这些参量的方法并研制了相应的实物系统。测试数据表明，该系统对倾斜的两个分量的标定重复性误差分别为±1.05″和±1.09″，对滚转的标定重复性误差为±9.4″，对偏心的两个分量的标定重复性误差分别为±0.53 μm 和±0.55 μm。

小波脊提取是小波变换轮廓术的关键步骤,在抑噪能力和速度方面，前者直接影响后者。提出了基于评价函数的二维小波变换的一种新的小波脊提取方法，利用二维小波变换系数模信息、条纹瞬时频率信息以及局部条纹结构方向信息建立评价函数指导小波脊提取；并设计了快速动态优化算法。计算机模拟和实验验证了所提方法的有效性。

近红外高光谱分辨率激光雷达(HSRL)分子散射回波信号具有频谱展宽窄、能量弱等特点，相对于紫外和可见光HSRL 研发难度大大增加。光谱滤光器作为HSRL 的关键器件之一，与HSRL 系统的反演精度密切相关。根据光谱滤光器的信号透射率和光谱分离比与HSRL 系统反演精度的关系，通过分析1064 nm HSRL 散射回波的特点，对两种具有代表性的干涉光谱滤光器进行了建模和仿真分析。结果表明，在光束发散角较小时，Fabry-Perot干涉滤光器具有较好的滤光性能，但对面形精度要求较高，不易于加工和装调；视场展宽Michelson 干涉滤光器(FWMI)对光束的发散角不敏感，集光能力强，且对面形精度的要求相对较低，在实际应用中更适合用于近红外HSRL 系统光谱滤光器。

分析了视场展宽迈克耳孙干涉仪(FWMI)用作高光谱分辨率激光雷达(HSRL)光谱滤光器时一个未引起广泛重视却又非常重要的问题：FWMI增透(AR)膜反射率容差评估。由于FWMI不同材料分界面的AR 膜无法做到100%透射，一旦光线经过该表面，将引起部分光被反射，且这部分光线将成为游离光线在干涉仪主体中不断被多次反射。分析了AR膜反射率导致的多次反射对FWMI滤光性能的影响机理，并采用光谱分离比(SDR)作为性能量化指标，提出了一种迭代算法来定量评估FWMI光谱分离特性与AR膜反射率的关系。分析结果表明，AR膜反射尽管对大气分子散射信号的透射率影响不大，但会较大的降低FWMI对气溶胶散射信号的抑制能力，最终总体上导致SDR 的降低。本方法对FWMI AR 膜反射率容差评估具有较大的参考价值，是保证FWMI良好设计性能的重要方面之一。

利用光栅侧面耦合技术多为单波长或窄带光耦合，用于光纤激光器泵浦、光波导集成等领域，而用于可见光宽带耦合的研究很少。通过在波导上集成亚波长衍射光栅结构，可以引导太阳光在波导的侧面进行出光汇集，作为一种新型的太阳能集光器结构。利用时域有限差分算法软件(FDTD)对光栅结构进行仿真，以获得最大衍射效率的光栅结构参数，并对不同入射角度下的衍射耦合效率进行了分析。结果显示，在宽波段的光谱范围内，以上光栅结构均达到较好的衍射效率，其中闪耀光栅衍射效率最大，其衍射效率可达48.8%。这种利用亚波长衍射光栅结构的小型集光器有望应用在有关太阳能能量的收集应用中，例如照明、太阳能电池等。

高光谱分辨率激光雷达由于可实现对大气参数的精确反演，在大气遥感领域具有较好的发展前景。介绍了高光谱分辨率激光雷达探测气溶胶、大气温度以及风速的基本原理以及目前国内外的研究进展，并重点介绍了高光谱分辨率激光雷达系统中的鉴频技术、激光技术、锁频技术以及数据处理技术等几项关键技术。

提出了一种基于贝叶斯模式识别的激光雷达大气遥感灰霾组分识别的方法。介绍了灰霾组分模式识别模型的建立过程，并利用具体的贝叶斯判别函数作为灰霾粒子光学特征向量的选择依据对灰霾粒子进行识别分类。采用计算机仿真实现了该灰霾组分模式识别模型，并通过两种自验证方法检验了模型的正确性和稳定性。讨论了该模型对现有大气遥感激光雷达的适用性，凸显了偏振高光谱分辨率激光雷达(HSRL)的优势。