针对星载GM-APD单光子测距系统难以兼顾宽量程高精度测量问题，文中设计了一种基于等效脉冲粗精两级的精细化时间数字转换电路（Time-to-Digital Converter, TDC）。该TDC首先基于分段式计数原理，设计了粗精两级的计数架构，保证了TDC宽量程测量；其次，针对精计数单元，采用时钟等相差相移π/N，生成等效高频脉冲时钟，将精计数单元的计时精度提升N倍；再次采用多计数器双沿间隔计数方法，将精计数单元计时精度进一步提升至2N倍；最后通过模拟仿真与实验验证对文中设计的TDC进行远距离单光子测距性能测试。仿真与实验结果表明：文中面向远距离单光子测距设计的精细化时间数字转换电路在参考时钟为50 MHz时，计时分辨率为416.67 ps，计时量程达1.31 ms。对室内10 m处目标进行100次测距重复实验，测距误差为5.62 cm，对室外参考距离为2 616.5 m处目标进行测距实验，测距的方差为0.001 7 m，由此可见，基于文中等效脉冲粗精两级精细化时间数字转换电路的单光子测距系统可以实现远距离目标的高精度、宽量程测量。

针对光束在级联式液晶偏振光栅传播过程中的斜入射现象会改变其椭圆率进而降低衍射效率的问题，提出了基于偏振补偿的级联式液晶偏振光栅衍射效率优化方法。运用扩展琼斯矩阵分析斜入射角度对液晶偏振光栅相位延迟的影响，结合斯托克斯参数求解不同斜入射角度下液晶偏振光栅出射光束椭圆率的变化，利用矢量衍射理论完成级联式液晶偏振光栅衍射效率模型的建立。基于液晶分子指向矢分布建立斜入射下液晶电控波片的坐标系，分析斜入射角度对液晶电控波片相位延迟的影响，推导出液晶电控波片相位延迟与椭圆率的关系。通过优化液晶电控波片的工作电压补偿斜入射造成的退偏量，实现对椭圆率的偏振补偿。搭建实验平台验证了理论的准确性与方法的有效性。根据测量结果可知，当光束偏转角度从-5°偏转到5°时，本文所提方法提高了级联式液晶偏振光栅3%~4%的衍射效率。

针对一体化六光幕阵列测量模型，提取模型中光幕结构参数，在MATLAB中建立模型进行仿真，逐一分析各结构参数影响下的对弹丸飞行速度和坐标测量误差的影响规律，给出结构参数优化方法。基于优化的结构参数典型值得到了1 m×1 m矩形靶面范围内弹丸飞行速度和坐标的测量误差分布。实弹试验表明弹丸飞行参数测量与仿真分析具有一致性，横坐标测量误差不超过3.1 mm，纵坐标测量误差不超过4.8 mm，速度测量误差小于1.1 m/s。该结果可为光幕阵列测量设备的工程设计提供理论依据，也可为提高身管**弹丸飞行参数测量精度提供参考。

为了克服在数字全息术中激光源高相干度造成的散斑噪声降低成像质量问题，论文提出将石英退偏器与电控液晶散射片相结合用于数字全息术中。通过在物光路中加入一个石英退偏器，利用退偏器的退偏性能使物光光路中的线偏光变成随机偏振光，降低与参考光的相干程度，实现对散斑噪声的抑制；通过给液晶散射片外加电场可以引起液晶分子的运动和光轴取向改变，调整液晶驱动电压大小来改变入射光的不同散射效果，有效地降低了光源的相干性；分别将单独采用石英退偏器和电控液晶散射片的重建图像与组合装置的重建图像进行对比分析，通过实验验证了所提方法的有效性。实验结果表明：两种实验对象在组合装置下的重建像峰值信噪比分别达到16.91和18.30，结构相似度为0.47和0.43，等效视数较原始重建像提高了42%和30%，散斑指数为1.52和1.29。论文提出的方法可较好地去除散斑噪声，保留更多的图像细节部分。

针对液晶空间光调制器阵元间相位调制量偏差降低光束衍射效率的问题，提出基于样条插值的液晶空间光调制器衍射效率优化方法。依据泰曼-格林干涉原理，搭建了相位调制系统。对调制器加载阶梯变化的灰度图，通过计算干涉条纹移动量，绘制液晶空间光调制器相位调制曲线。采用三次样条反插值法对相位调制曲线进行校正，实现对相位调制量的相位补偿。搭建液晶空间光调制器衍射效率测试系统，对所提优化方法进行实验验证，并与随机梯度下降法进行了对比。结果表明：当光束偏转角度为1.56°、0.78°、0.39°、0.19°时，文中所提方法提高了30%~40%的光束衍射效率，相较于随机并行梯度下降法，衍射效率提高了2%~8%。该方法有效抑制了栅瓣能量，提升了主瓣光束衍射效率，克服了随机并行梯度下降法迭代次数多，优化速度慢，易陷入局部最优的缺点。

为了表征光束倾斜入射下液晶偏振光栅的衍射特性，提出了液晶偏振光栅斜入射角度-驱动电压-衍射效率的三维模型建模方法。该方法利用吉布斯自由能方程，求解液晶分子指向矢，得到驱动电压与液晶分子倾斜角的表达式，推导出斜入射角度与相位延迟量之间的关系，结合扩展琼斯矩阵表征不同入射角度下液晶偏振光栅的透过率，通过矢量衍射理论，建立了斜入射角度-驱动电压-衍射效率的三维模型。该模型不仅可以定量求解不同斜入射角度下液晶偏振光栅衍射效率，而且能够实现衍射效率最优时驱动电压的标定。通过仿真分析和实验对该模型的有效性进行了验证，结果表明：光束入射角度从0°倾斜到10°时，最优驱动电压由2.2 V降低到2.0 V，液晶偏振光栅衍射效率从85%下降到78%；光束入射角度从0°倾斜到−10°时，最优驱动电压由2.2 V升高到2.4 V，液晶偏振光栅衍射效率从85%下降到74%。

针对传统迭代最近点(ICP)算法在数据丢失以及存在噪声点的情况下配准时间过长、精度较低等问题，提出了一种基于改进的体素云连通性分割(IVCCS)与加权最近邻距离比相结合的配准算法。利用双阈值体素去噪剔除初始种子体素中的噪声体素，解决原本体素云连通性分割算法(VCCS)中因单一约束条件导致种子体素错误剔除的问题，同时将体素云分层去噪来加快配准的运算速度；利用流约束聚类提取点云中的特征点，并依据最近邻距离比验证特征点是否为重合点，赋予不同的权重优化ICP最小目标函数，从而加快配准速度。实验结果表明，该算法相对于传统ICP算法迭代次数减少，在精度与速度方面均有显著提升，相比于基于快速点特征直方图(FPFH)的ICP算法配准精度提高了8.5%~24.7%，速度上提高了65.6%~92.3%，迭代次数减少了16.6%~38%。