计算成像是一种通过联合光学系统和图像处理来实现特定成像功能的新兴研究领域，长期以来，计算成像中的光学与算法联合都采取的是顺序设计模式，即光学系统与图像处理各自分开设计，但这样难以全面发挥二者协同的优势。近年来，随着深度学习技术的飞速发展，基于深度学习架构的光学系统与图像处理算法端到端协同设计方法开启了解决这一问题的大门。一方面，端到端协同设计通过全面探索整个解空间，可以实现光学与图像处理的自动最佳协同；另一方面，端到端协同设计更使得研制基于任务的最优成像系统成为可能。本文首先介绍了基于光学系统与图像处理端到端协同设计框架的进展，然后介绍了我们基于这一框架在平面透镜的宽谱成像、平面透镜的大视场成像、大景深成像、超分辨成像和快照式光谱成像方面的研究进展。

设计并制作了一种10Gb/s光收发模块, 在宽温度范围内能够保持稳定的光功率和消光比。基于背电流和光功率的换算比例, 计算其偏置电流修正值和调制电流修正值, 实现了光模块运行过程中激光器的工作参数可自动连续调节。通过高速电路信号仿真设计, 解决了信号完整性、串扰和电磁兼容等问题。光模块收发通道可以独立工作, 传输速率可达10Gb/s, 实现了光模块高速率、高稳定性以及小体积设计, 为甚短距离高速数据传输和处理提供了高可靠性的数据链接。

阐述了光纤加速度计的工作原理，利用有限元方法得到光纤加速度计两弹性柱体外半径上节点的径向形变ΔR，并通过公式计算得出加速度灵敏度值39.69dB（0dB=1rad/g），最后依据仿真得到的结构材料参数，研制了光纤加速度计,并测得其加速度灵敏度为39.43dB,与仿真结果相差0.26dB，实验数据与仿真结果相吻合。研究结果表明，利用有限元方法对光纤加速度计加速度灵敏度性能进行仿真具有一定可行性，该研究对芯轴式推挽型光纤加速度计的结构设计和广泛应用具有重要的理论指导意义。

研制了基于时分外差法检测的非对称薄壁壳型光纤一维地震波检波器, 该检波器易于扩展为三轴分立式地震波检波器, 具有检测动态范围大, 易于构成大规模时分复用传感网络的优点。建立了非对称地震波检波器的理论模型, 分析了各结构参数对其灵敏度的影响; 搭建了基于光学同步参考信号的时分外差法测试系统, 进行了外差系统的稳定性测试, 测量了地震波检波器的频响曲线, 结果表明外差系统测量信号波动小于0.1dB; 工作频段20~800Hz内加速度平均灵敏度为28.5dB re rad/g, 与理论仿真结果基本吻合。

随着光纤布拉格光栅(FBG)传感技术的飞速发展, 基于FBG技术的加速度传感器成为了一个新的研究和发展的方向。理论分析了FBG加速度传感器的基本原理, 重点介绍了基于FBG理论开发的加速度传感器探头结构的研究进展, 分析了探头结构的传感机理及性能指标, 指出了实际应用存在的关键技术问题, 并对未来的发展进行了展望, 为设计新型探头结构及探头的实用化提供了借鉴。

近年来，对地声信号的探测技术在石油天然气勘探、地面和近海岸安全警界、海洋远距离目标探测和地下管道监测等领域得到飞速发展。为实现对低频地声信号的高品质探测，设计了一种双光栅对称推挽式结构的光纤布拉格光栅地听器，进行了结构理论、仿真分析、优化设计和三维结构扩展的研究。结果表明，该结构地听器具有较高的灵敏度，可达765.6 pm/g；在1~120 Hz之间，灵敏度动态响应特性良好；具有温度自补偿功能和较好的方向性；能够方便的扩展到三维结构；具有较好的对低频地声信号探测性能力。

研制了一种直径为13 mm的空气腔推挽式双臂对称补偿结构的光纤水听器，介绍了该光纤水听器的工作原理，优化设计了光纤水听器结构。在小直径情况下，保证了较高的声压灵敏度，同时获得了较低的加速度灵敏度。实验测得在80～2500 Hz频段内，该光纤水听器的平均声压灵敏度为-142.5 dB，灵敏度的起伏小于±0.8 dB，加速度灵敏度小于-20 dB。实验结果表明，研制的空气腔推挽式双臂对称补偿结构的光纤水听器，能很好地满足拖曳细线阵的使用要求。

为实现对低频振动信号高品质探测，设计了一种新型光纤光栅振动传感器，采用双光栅对称推挽式探头结构，可以有效抑制温度和应力交叉灵敏特性。通过理论仿真分析，表明传感器具有高灵敏度和良好的低频探测性能，经优化设计，灵敏度可达546pm/g，在0~100Hz之间，灵敏度动态响应特性良好。

本底噪声是制约干涉型光纤矢量水听器系统在低频远距离目标探测领域中应用的重要因素之一。为降低系统的本底噪声，提出了一种基于自适应噪声抵消的降噪方法。在光学系统中增加一个与传感迈克耳孙干涉仪结构参数相等的对声压不敏感的参考干涉仪作为参考通道，以获得由光源与电路等共同噪声源引入到各干涉仪的高相关噪声。然后，使用归一化均方根误差的自适应算法分别对声压及加速度信号中与参考信号高相关的噪声部分进行抵消。湖试数据的分析结果表明，该方案能够有效降低系统本底噪声，其中对电磁干扰带来的50 Hz倍频信号的抑制能力高达15～25 dB，对500 Hz以上的平坦噪声谱的抑制为3 dB左右。

为了研究激光脉冲波形对其在液体中致声特性的影响，基于激光致声的热膨胀机制机理，采用理论推导和数值仿真的方法，对三角波形激光脉冲激发声波的特性进行了分析。首先阐述了激光与液体媒质通过热膨胀机制作用激发平面光声源的理论；推导了激光脉冲为三角波形时在约束边界和自由边界下产生声脉冲的解析解，并通过仿真得到了声脉冲剖面；然后通过模拟得到了不同边界下激发光声脉冲的波形；最后分别推导了约束边界和自由边界下的光声转换效率，分析了转换效率的影响因素，并对不同边界下的转换效率进行了求解和对比。结果表明，该研究对激光致声技术的工程应用具有理论指导意义。