大气中的沙尘气溶胶颗粒物会通过与太阳辐射相互作用、参与云的形成过程等, 对气候系统产生强烈影响。对流层中的沙尘气溶胶通常是含有各种粒子成分的不均匀混合物, 只有通过详细了解单个沙尘粒子的理化特性才能充分认识其对气候的影响效应。基于此, 对过去 20 年基于光学方法对大气沙尘气溶胶观测分析的研究进行了全面的综述。回顾了利用电子显微镜、激光雷达以及单颗粒质谱等光学技术的研究成果, 简要介绍了基于扫描电镜和能谱、偏光特性、非对称因子等的观测分析技术, 并讨论其优缺点; 总结了沙尘气溶胶形貌、混合态特征研究, 讨论其参与大气物理化学过程的主要方式; 讨论了污染沙尘的光学性质、吸湿特性及成核能力, 这些特性都对气候变化和预测有重要影响。大气中的沙尘气溶胶是复杂多样的, 如何将精确的单粒子分析技术和快速响应的在线检测技术结合将是未来大气探测的研究重点, 这些研究成果也将进一步扩展到气溶胶的环境和气候影响研究, 以及人类健康风险评估中。

利用金刚石压腔装置和激光加热技术, 在高温高压下对KCl—O2体系进行化学反应研究。 实验中先将样品体系预压到37 GPa, 然后对样品进行激光加热处理, 加热温度(1 800±200) K, 淬火至常温后进行激光拉曼测试。 拉曼测试结果显示KCl—O2体系在高温高压下发生了新奇的化学反应, 生成三方(P-3c1)结构的非传统化合物KCl3、 少量KClO4、 固体Cl2(Cmca)以及可能存在的另外一种非传统化合物KO4。 实验中P-3c1-KCl3高压下测到了11个拉曼振动峰, 基于P-3c1-KCl3第一性原理拉曼光谱的理论计算, 将这11个拉曼振动峰进行振动模式归属。 P-3c1-KCl3在卸压过程中拉曼峰强度逐渐变弱, 于压力小于10 GPa时逐渐分解变成KCl和Cl2, 反映其不能在常压下保存。 KO4在高压下受到金刚石拉曼峰的干扰难以检测到拉曼峰, 而在常压下打开金刚石压腔后测到了KO4的3个拉曼振动峰。 实验显示易吸潮的KO4黑色粉末能够保存到常压。 KCl3和KO4中分别具有带分数负电荷的非线性对称Cl—Cl—Cl聚阴离子链和O—O原子对, 反映高压有利于形成非常规聚阴离子(Cl-3)和阴离子(O-4), 表现出与常压或者低压不一样的化学特性。 实验显示在高压下存在数个不同寻常的化学反应, 通过对反应物和生成物的氧化还原价态分析显示, O得到电子由0价变成负价态, 而Cl失去电子由负价态变成0价或者正价态, 反映高压下O得电子能力强于Cl。 这些新奇的化学反应以及非常规聚氯阴离子化合物P-3c1-KCl3的实验观察为合成具有奇特性质的聚阴离子化合物提供了新的思路。

图像盲复原是仅从降质图像就恢复出模糊核和真实锐利图像的方法，由于其病态性，通常需要加入图像先验知识约束解的范围。针对传统的图像梯度 l2和 l1范数先验不能真实刻画自然图像梯度分布的特点，本文将图像梯度稀疏先验应用于单帧大气湍流退化图像盲复原中。先估计模糊核再进行非盲复原，利用分裂 Bregman算法求解相应的非凸代价函数。仿真实验表明，与总变分先验(l1范数)相比，稀疏先验有利于模糊核的估计、产生锐利边缘和去除振铃等，降低了模糊核的估计误差从而提高了复原质量。最后对真实湍流退化图像进行了复原。

在地基太阳观测中,光线在穿越大气层时会受到大气湍流的影响而导致图像扭曲、变形以致质量下降。为了消除或降 低大气湍流的影响,事后图像处理技术被用来获得高分辨力的太阳图像。基于斑点干涉法和斑点掩模的事后重建算 法可以获得高分辨力的图像,但由于计算复杂度高,难以满足实时性的要求。在讨论了算法原理的基础上, 使用CUDA并行计算架构实现了太阳斑点重建算法并行化。实验结果表明,在GPU环境下,一张TiO通 道2304 pixel×1984 pixel像素大小的图像,可以在70 s内完成重建,相比运行在CPU上的串行程序,加速比可达7以上。

色散镜头是光谱共焦位移传感器的核心部件, 轴向色散与波长之间的线性度直接影响系统的测量精度。研究了轴向色散与玻璃材质之间的关系, 结合透镜组光焦度分配公式, 分析线性色散产生条件, 设计了一款色散镜头; 使用ZEMAX进行仿真优化, 镜头在500~700nm工作波段范围内, 色散范围约为150.34μm, 轴向色散与波长线性度通过一元线性拟合分析, 判定系数达0.9972, 镜头分辨率较高, 配合现有的光谱仪使用, 传感器分辨率可达纳米级, 满足高精度测量要求。

为进一步提高自适应光学系统的成像质量，本文针对目前广泛使用的盲解卷积，相位差法和斑点重建技术开展了深入研究；详细分析了以上三种技术的各自特点、应用场景和处理对象，并结合自适应光学系统的特点，有针对性的加以算法改进；实验采用自适应光学人眼视网膜细胞图像和自适应光学太阳黑子图像进行算法验证，结果表明经改进后的图像处理技术可以有效提高自适应光学图像的质量和分辨力，较好的满足了自适应光学系统对图像事后处理的需求。

地基太阳高分辨力成像中，自适应光学系统补偿了图像中心等晕区的像差，需要斑点图像重建技术用来产生全视场衍射极限分辨率的图像。一个从Matlab程序移植而来的C语言程序被设计用于加速处理。该程序采用斑点干涉法重建图像的傅里叶振幅和斑点掩膜法重建图像的傅里叶相位。使用OpenMP进行加速，使核心间共享了部分内存资源，图像按子块进行并行计算。移植过程中程序算法上进行了必要的优化并移除了大量的冗余计算。程序使用英特尔ICC编译器编译，运行在一个12核的Linux服务器上。一张1280 pixel×1280 pixel的图像可以在31 s内重建完成。相对于单核运行，加速比最高可以达到10.66。单台服务器上相对于并行接口获得更好的扩展性。

斑点图像重建方法可以有效抑制大气湍流的影响，得到目标衍射极限像。然而系统静态像差破坏了波前的统计信息，降低了相位重建精度。通过理论分析得出在理想情况下，离焦、像散、彗差和球差中只有彗差会在重建结果中引入额外相位值。进一步采用分割光瞳的方式表示交叉谱传递函数与静态像差的关系时，指出通过选择交叉谱的平移向量方向，可以实现在特定方向上静态像差之间的平衡，降低系统像差对相位重建的影响。仿真中球差与离焦像差之间的平衡及离焦像差与像散之间的平衡，都起到了降低相位重建误差的效果。

焦面哈特曼传感器 (光场相机)具有同时测量距离信息和波前相位信息的优点, 国内目前还没有相关研究。本文对焦面哈特曼传感器的点目标波前相位复原能力进行了研究。首先从结构上将焦面哈特曼传感器与其他常用的波前传感器作了简单的比较, 然后对焦面哈特曼的成像原理进行了推导说明, 最后采用 MATLAB软件对焦面哈特曼传感器的远场光斑进行仿真, 通过相应的斜率估计算法, 进行波前复原。仿真结果表明, 焦面哈特曼传感器能够实现波前复原, 从而达到了仿真验证的目的。