压电微动杆作为光学设备主动调焦系统的关键设备, 会因压电迟滞非线性及复杂机电耦合效应严重影响其位移输出精度, 进而影响光学设备的性能。为实现压电微动杆的高精度控制, 建立了压电微动杆的多场耦合迟滞动力学模型。在此基础上, 对压电微动杆设计鲁棒H∞反馈控制和逆Bouc-Wen前馈控制构成鲁棒复合控制器, 在保证系统鲁棒性的同时补偿压电迟滞影响, 提高控制精度。最后设计压电微动杆实验系统进行跟踪实验验证, 结果表明所设计的鲁棒复合控制方法能够实现压电微动杆的高精度位移控制。

为解决机载远程单光子测距激光器热稳定性差、受背景光噪声影响大的问题，提出了一种适用于机载环境的小型化、窄线宽、低能耗激光器设计方案。激光器采取主振荡功率放大构型。种子源激光器使用反射式体布拉格光栅作为耦合输出镜，在重复频率为10 kHz条件下，获得线宽为0.035 nm激光输出，光束质量为Mx2=1.303，My2=1.271，光光转换效率为44.4%；放大器选用innoslab构型放大激光能量，可以有效缓解热问题、提升光束质量。为此，采用蒙特卡罗方法建立单光子测距回波信号模型，验证了提高激光器性能可以降低激光抖动对精度的影响，同时较窄的线宽输出可以采用相匹配的窄带滤光片来减少背景噪声干扰，从而提高测距精度。

单光子探测技术利用单个光子作为信息载体, 可以突破现有激光探测极限, 是目前国内外应用基础研究的热点。采用InGaAs/InP APD(Avalanche Photodiode)探测1064 nm激光时, 存在较大的暗计数和后脉冲概率, 影响探测的准确率。对比分析了3种淬灭方式对单光子探测电路性能的影响, 门控淬灭相比被动淬灭和主动淬灭有更小的死时间, 对暗计数和后脉冲概率有更好的抑制作用。针对门控淬灭方式对比研究了正弦门控滤波法、自差分法、双APD平衡法和电容平衡法4种方案, 以有效降低门控信号产生的尖峰噪声。通过对正弦门控滤波法探测电路的优化设计与调试, 探测电路的死时间为9.3 ns, 在9%的探测效率下暗计数率为1.64×10-6/ns, 后脉冲概率为3%。

为了获得高功率高重频中红外激光输出, 采用LD侧面泵浦技术和高重频调Q技术, 获得高功率高重频窄脉宽1064 nm激光输出。通过1064 nm泵浦KTP产生高峰值功率2100 nm激光输出, 并抽运ZGP晶体获得12 mJ的4200 nm中红外激光输出。通过1064 nm分别泵浦PPLT和PPLN获得8.3 W的2100 nm激光输出和5.6 W的3900 nm激光输出。试验结果表明: 通过高重频调Q技术和LD侧面泵浦技术, 可以实现高重频窄脉宽1064 nm激光输出, 泵浦非线性晶体可以获得高功率高重频中红外激光输出。

高能量侧面激光器可用于激光美容、激光打标、远程探测等领域。通过侧面泵浦激光技术和电光调Q技术, 获得高重频窄脉宽1 064 nm波段激光, 利用衍射光学器件, 实现较均匀的激光输出。在电源输入电压700 V, 调Q驱动频率10 Hz的条件下,获得426 mJ的1 064 nm激光输出。实验结果表明: 通过侧面技术和衍射光学器件匀化技术, 可实现高能量较均匀光斑激光输出。

信道估计是指接收机获知信道状态信息的方法和过程。信道估计的准确度决定了接收机的工作性能, 所以均衡之前,必须先进行信道估计。目前, 激光光学传输信道估计成为多输入多输出正交频分复用的自由空间光通信系统的关键技术。传统的压缩感知方法作为一种信道估计的有效方法, 具有恢复和重构原始信号的能力, 但在计算复杂度上付出了一定的代价。快速贝叶斯匹配追踪算法克服了现有方法重构精度低和复杂度高缺点。通过先验模型选择和近似的最小均方误差的参数向量的估计, 快速贝叶斯匹配追踪算法提供了估计信道冲激响应的一种有效方式。仿真结果表明, 与传统的基于压缩感知的方法相比, 该方法能显著提高系统的性能。

针对纳秒量级脉宽机载多脉冲激光照射目标的回波波形，提出几何分割比这一目标姿态不敏感特征，给出了特征提取算法，可用于与激光目标运动状态结合开展目标检测与跟踪。首先，基于激光目标波形数学模型分析目标波形与目标特征的关系，指出激光目标的几何分割比特征具备姿态不敏感特性。接着，结合目标特征提取对目标波形和噪声不失真分离的要求，提出在小波域利用对称小波基进行改进Donoho 阈值降噪处理，在时域利用小波重构信号阈值获取目标波形序列，再由一阶二阶差分计算检测目标波形峰值点，进而提取激光目标散射中心及几何分割比等特征。最后，通过仿真实验验证算法在低信噪比下提取激光目标特征信息的有效性。在与机载多脉冲激光目标模拟器联试实验中，利用文中算法提取激光目标特征结合目标的运动状态信息，开展多帧相关匹配检测，多脉冲激光目标检测的可靠性明显提高。

扩展伪随机编码可以解决高重频激光测距在目标距离远时带来的距离模糊问题, 但其编码方式多样。研究了不同激光源发射重频下, 不同幅度编码方式对测距准确性的影响, 并使用Matlab进行仿真。理论研究与仿真结果表明随着重频的提高, 最优编码中“1”的概率从1逐渐趋近于1/2, 1/2码的随机性最好, 探测效率高, 在时依然具有明显的峰值。在实际测距应用中, 根据不同的重频选择合适的编码方式, 可以优化测距算法, 提高测距效率。

针对数字体制机载多脉冲激光测距机信号处理算法引入测距误差的问题, 提出减少脉冲激光回波波形失真的降噪算法以及改善激光测距精度的校正措施, 可用于脉冲激光目标的精确定位。结合数字体制多脉冲激光目标检测过程分析数字信号处理算法引入的测距误差, 指出信号采样率限制了目标定位的距离分辨率, 低通滤波环节的非线性相频特性是造成波形失真、峰值点偏移的主要因素。然后, 针对这些问题给出了改善多脉冲激光目标定位精度的具体算法: 基于对称小波基实施回波信号小波分解, 利用改进Donoho阈值处理小波系数, 用以减小重构目标波形峰值点位置的偏移; 采用差分组合函数搜索目标回波的峰值点, 基于非对称高斯脉冲模型进行高采样率拟合, 对峰值点位置加以校正, 改善定位的精确性。通过仿真选取合适的小波基, 对比不同算法信噪比改善及峰值点定位的性能。在室外高塔开展消光比激光测距实验, 结果显示信噪比为1.5的激光目标定位精度小于2 m, 验证了多脉冲激光目标精确定位算法的性能。

主要对大气传输及目标反射对偏振光的特性影响进行研究，以蒙特卡罗方法为基础，采用斯托克斯-穆勒形式，依据Mie散射理论及偏振双向反射函数模型，追踪每个光子的偏振态变化，最后统计分析变化后偏振光的斯托克斯矢量和偏振信息。依据所建立的模型进行仿真，仿真结果表明，当能见度为23 km，距离为100 km，目标折射率为1.44+5.23i，表面粗糙度为0.1 mm时，大气传输对光偏振特性影响较小，而目标反射的影响较大，在接收端圆偏振光退偏为椭圆偏振光。