针对局部对比度方法对红外目标进行检测时难以提升目标的显著性及抑制背景困难的问题，提出一种基于特殊预处理的增强局部对比度方法来检测目标。通过快速中值滤波去除高频噪声，通过改进的形态学梯度来抑制背景，通过增强的局部对比度来提高目标的显著性，最后通过自适应阈值来获取需要检测的真实目标。结果表明，同经典人类视觉系统的检测方法相比，所提方法在检测红外弱小目标时具有优越性，在高亮度背景情况下效果更为显著。

针对传统图像拼接方法处理速度慢、效率低、无法满足高分辨率图像快速准确拼接的需要,提出一种基于ORB特征的高分辨率图像拼接改进算法。首先在ORB特征点提取的基础上,采用汉明距离进行快速粗匹配;然后基于渐进采样一致性(PROSAC)算法对匹配点对进行优化,去除误匹配点对之后,求解图像变换矩阵;最后采用渐入渐出加权融合算法对图像重叠区域进行融合,去除拼接痕迹。实验结果表明,相较于传统算法,本文算法不仅在处理速度上具有明显优势,而且匹配准确度更高,能够对高分辨率图像实现快速准确的拼接。

由于水体及水中的悬浮粒子对光的吸收和散射作用,水下观测到的图像呈现出模糊、对比度低、噪声严重等问题,加大了水下图像分析与理解的难度。为了克服这些缺陷,以水下光学成像模型为基础,提出了一种基于拉普拉斯算子先验项的,可同时去雾、去噪的快速变分复原方法。首先,根据水下光学成像模型设计变分模型的数据项和规则项,对拟恢复图像采用拉普拉斯算子先验项作为变分能量方程的规则项。然后,采用改进后的红通道先验估计得到全局背景光,结合红通道先验估计得到每个通道的透射率图。为进一步提高计算效率,引入交替方向乘子法(ADMM)对所提出的模型进行交替优化迭代求解。实验结果表明,该算法能有效地去除水雾,抑制水下图像的噪声,提高图像的对比度和清晰度。

根据空间精密定位技术需求,提出一种空间四象限概念,用于空间载体主动定位引导与高速通信。在固定的时间间隔内,通过光束扫描方式在空间依次形成4个光斑,接收探测器依次接收4个光斑的部分能量,按质心计算原理解算接收端相对于发射中心的位置及角度偏移。应用蒙特卡罗方法对空间四象限定位系统进行建模与仿真,并搭建实验系统对仿真结果进行验证与分析。结果表明,空间四象限定位方法可行,可为空间定位、导航等具体应用提供技术支持。

针对海上目标红外图像采集工作中硬件噪声与海面背景杂波带来的影响,以海上无人船视频导航避障系统为背景,对海上红外目标跟踪工作系统噪声进行分析,设计了一种相关去噪算法,完成了系统建模,并对参数进行了改进。然后对海上红外视频进行逐帧采样,对采样所得红外图像序列进行滤波,将滤波前后跟踪位置与目标真实位置的中心坐标进行对比,最后将本文算法处理结果与其他类似算法进行对比。实验结果表明,本文算法滤波后跟踪位置与真实位置基本重合,捕获率高于98%,跟踪误差小于1 mrad,相对于类似滤波算法,信噪比提升了10 dB。

为提高相机动态范围, 提出了一种基于相机光电参数的图像融合方法。该方法首先通过对相机的转换增益以及黑电平偏移进行测试确定融合系数, 得到高动态范围图像, 经过灰度拉伸后得到可显示的图像。从像质评价方面选取 3组不同光强下融合图像, 分别从主观和客观两方面与 2种传统的融合算法进行比较同时将相机融合前后的动态范围进行了比较。选用辰芯 G2020型互补性氧化金属半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS)图像传感器完成实验测试, 融合前高增益模式以及低增益模式下相机动态范围分别为 59.2 dB和 66.1 dB, 经该方法处理后相机动态范围达到87.5dB, 且成像质较好, 同时本文方法计算量小, 易于硬件实现。

星间相干通信系统其多普勒频移达到了吉赫兹量级,同时受到调谐激光器线宽、相位噪声的影响,对光学锁相环路系统提出了高要求。依据科斯塔斯锁相环技术原理,将温度调谐、压电陶瓷(PZT)调谐、声光移频器(AOFS)调谐复合到一起,通过内环与外环方式对本振激光器进行调控,实现光学锁相功能。搭建实验测试系统对环路性能进行测试,结果表明:此系统可达到锁相范围为4 GHz,锁相带宽为1.7 MHz,实现了信号光与本振光之间的多普勒频移跟踪、激光器线宽补偿及相位快速锁定,最终相位残余误差5.1°。

为实现基于液晶空间光调制器的非机械式光束智能控制，利用像素个数为1920×1080的硅基液晶空间光调制器搭建了一个实验系统。该系统能在空间内实现大角度、高衍射效率、连续指向的单光束，同时还可将入射光分成2、3、4、5束并单独控制每个分光束的偏转角度。介绍了空间光调制器的相位调制原理、理论模型，验证了光束偏转控制及分光束功能，分析测试系统的光路及原理，最后对实验结果进行总结并提出建议与展望。

基于大气信道内的空间激光通信演示验证实验，对系统光斑跟踪精度的影响因素进行了分析，研究了大气湍流对光斑跟踪精度的影响，建立了光斑质心检测模型，设计了一套信标光光斑粗精复合跟踪系统.搭建了室内测试实验系统，完成了大气湍流对光斑跟踪精度影响的测量，结果表明在中弱湍流时，跟踪精度随湍流增大有近似线性关系，系统整体跟踪精度在5~15 μrad之间，可较好地完成光斑跟踪功能.在野外环境开展的飞机-飞机激光通信演示实验中，对伺服系统的跟踪性能及跟踪精度进行实际测量，整体跟踪精度不大于15 μrad，与室内实验测试系统基本一致.

大气湍流参数是评价大气信道对空间激光通信系统性能影响的重要依据。根据机载平台的运动特点，采用差分像运动法并利用夏克-哈特曼传感器与指向、捕获、跟踪伺服单元等设备，在加格达奇地区开展了不同海拔高度下大气湍流参数的分层测量实验。结果表明，在Kolmogorov湍流条件下，该地区日间大气湍流强度随海拔高度的增加而减弱，并在该变化趋势上叠加了大气湍流强度的随机起伏；大气覆盖逆温层顶层海拔高度范围为2.2～2.8 km，海拔高度为3.5 km的大气相干长度的变化范围为10～26 cm。该研究为机载激光通信系统的性能分析提供了重要的参考。