为了解决传统光电跟踪设备的跟踪性能测试系统参数调试繁琐、设备安装困难、靶标适用性差等问题，研究了基于机械臂路径规划的内场轨迹实现技术。通过规划六自由度机械臂的末端运动轨迹，设计了更加灵活、高效的跟踪性能测试系统。首先，对传统测试靶标系统进行分析，明确实现跟踪性能测试的数学模型；然后提出基于六自由度机械臂的新型技术方案，并分析了两种方案的差异性；接着通过靶标轨迹的坐标变换，根据传统动态靶标轨迹得到适用于六自由度机械臂的末端位姿参数，从而实现轨迹规划；最后，通过数值仿真验证了本文方法与传统方法的跟踪性能测试效果的一致性。仿真结果表明，两者具有相同的跟踪性能测试效果。相较于传统方法，采用机械臂的测试系统在参数调节、工具安装和靶标适用性上更具优势，完全能够满足光电跟踪设备内场跟踪性能测试的要求。

亲脂性偶氮染料苏丹红Ⅲ(Sudan Red Ⅲ)分子因染色后可使食品鲜艳、 不褪色, 常被放入食品添加剂中, 食用后对人体的肝肾器官有明显的毒性作用, 严重影响人类身体健康。 苏丹红分子的毒性与其分子几何和电子结构密切相关, 对其结构、 电子激发等研究具有重要的指导意义。 采用密度泛函理论(DFT)方法结合def2-TZVP基组对苏丹红Ⅲ分子结构、 红外与拉曼光谱和紫外光谱进行系统研究, 结果表明PBE0和B3LYP杂化泛函方法计算的红外和拉曼光谱与实验值吻合; 采用含时的B3LYP杂化泛函计算得到的苏丹红Ⅲ分子的紫外-可见吸收峰为228、 353和490 nm, 与实验符合较好, 它们是基态电子向第2激发态、 第6激发态、 第30激发态跃迁所致。 采用空穴—电子分析法考察电子激发可知, S0→S2激发类型是氧、 氮原子到萘环和苯环上的n—π*电荷转移激发, 同时伴随着萘环、 苯环环内间的π—π*局域激发。 S0→S6激发类型是氮、 氧原子到萘环, 氮原子到苯环上的n—π*和萘环环内间π—π*电荷转移激发的叠加。 S0→S2和S0→S6激发类型属于电荷转移激发为主的混合激发。 S0→S30激发类型属于萘环环内的π—π*局域激发, 同时也伴随着氧、 氮原子到萘环上的n—π*和苯环到萘环上的π—π*电荷转移激发, S0→S30激发类型是以局域激发为主。 通过分子片段对空穴、 电子的贡献热图分析, 进一步证实了上述电子激发转移过程。 系统研究苏丹红Ⅲ分子的光谱及电子激发, 为实验检测食品苏丹红Ⅲ分子提供理论参考。

模式转换器是片上模式复用（MDM）系统的关键器件。为在绝缘体上铌酸锂（LNOI）中实现结构紧凑的模式转换，本文提出了一种基于超表面结构的模式转换器。该模式转换器可以实现TE₀-TE₁、TE₀-TE₂的转换。为了在模式之间实现高效转换，采用逆向设计方法，结合3D电磁场仿真，优化器件倾斜周期性亚波长条形蚀刻结构参数，以同时符合沿传播方向的相位匹配要求，以及符合短耦合长度的横向方向折射率分布要求。仿真结果表明，器件在1400~1700 nm波段内，TE₀-TE₁转换的插入损耗<0.8 dB，模间串扰<-10 dB，模式转换区长度~20 μm。且该器件具有较好的高阶模式转换扩展性以及工艺容差性，是未来LNOI的高密度集成MDM系统中模式转换器的良好备选方案。

对基于衍射光学系统的激光雷达的波束展宽方法和作用距离进行了分析，介绍了实验样机的研制情况。根据实际激光雷达的成像特点并结合宽幅成像的需求，提出了离焦扩束、加柱面镜扩束以及基于衍射镜的波长变化扩束3种接收波束展宽方法，进行了仿真计算并给出了实验样机的部分测试结果。给出了扩束情况下激光雷达的作用距离表达式，同时讨论了模数转换（AD）采样量化对接收信号采样的影响，明确了接收扩束产生的增益下降可由电子学放大器来弥补的观点，并结合实际数据给出了验证结果和分析结果。

利用偏振相机实现瞬时相移获取光弹条纹的方法缺乏定量误差及补偿分析。圆偏场瞬时光弹相移法的误差主要是1/4波片与光源波长不匹配造成的。首先，基于Stokes矢量和Mueller矩阵，从理论上推导了光弹特性的误差及补偿方程，讨论了样品应力方向角和相位延迟量的误差分布。结果表明：等差线条纹误差正比于失配值；等倾线条纹误差是非线性的，但正比于失配值的余弦，反比于两个光强之差。然后，分析了光源谱线宽度对补偿效果的影响，结果显示谱宽的限制与波长成正比，与失配误差成反比。最后，结合对径受压圆盘的模拟和实验验证了误差分析及补偿方法的正确性，并论述了等倾线应力方向分离的问题。

激光直写是一种高效、可规模化制备柔性电子器件的技术。本文采用激光直写技术在具有良好介电性能的聚酰亚胺薄膜上制备了一种可用于应变传感和湿度传感的柔性环形天线传感器。利用激光碳化聚酰亚胺获得的材料表面呈现多孔及堆叠片层碳结构，当施加于天线上的应变和环境湿度改变时，天线的谐振频率会发生规律变化，进而实现应变和湿度感知。制备的环形天线传感器的应变响应灵敏度为?8.943 kHz/με，湿度响应灵敏度为?6.45 MHz/RH%。采用激光直写技术制备的天线传感器可以广泛应用于结构健康监测等领域。

为保障传感器安全接入信息内网, 保障数据在传输、存储和使用过程中的机密性、完整性和可用性, 本文在考虑设备性能和数字签名情况下提出了基于多因素的身份认证方案。随后利用椭圆曲线密码系统, 提出了一种基于身份的新密钥建立协议。通过安全性能分析, 与已有经典方案相比, 本文所提方案在面对重播、模仿、中间人攻击 (MITM)和去同步化攻击时更加安全, 且计算时间开销更小。

在利用涡流红外热成像技术检测金属材料损伤缺陷时，因热波属于衰减波，且热波三维热扩散等问题，导致采集的红外图像中缺陷部位模糊。针对该问题，提出一种基于单尺度Retinex 与改进的K-均值聚类的缺陷检测方法，用于处理红外图像特征增强、图像分割和边缘特征提取等问题。该方法首先利用单尺度Retinex（single-scale Retinex, SSR）对红外热图像进行图像增强，强化缺陷特征，然后利用改进的K-均值聚类算法对图像进行分割，最后采用数学形态学算法处理图像，去除缺陷图像中无用信息，并利用Canny 算子检测出缺陷边缘。实验结果证明，该方法有效地检测出金属材料试件缺陷，并提取出完整清晰的缺陷边缘。

离轴反射光学系统克服了传统折射系统的材料限制,具有大口径、小体积、轻量化、无色差等优点,随着自由度极高的自由曲面的大量应用,校正了离轴系统引入的非对称像差,成为了研究的热点。针对离轴三反初始结构求解复杂的问题,介绍了几种离轴反射系统的常用设计方法,从设计原理上将其归结为两类思路:一是根据像差理论先建立同轴系统的初始结构,通过对光学系统的离轴优化实现无中心遮拦;二是直接构建无中心遮拦的简单光学系统,在优化过程中利用复杂面型进行像差优化。根据两类设计原理对不同结构的光学系统进行了实例设计,优化过程和像质评价结果表明,两类设计方法都能够满足设计指标,仅优化过程不同,其构建结果几乎具有等价性。其中第一类方法在像差优化中更具优势,适用于离轴角较小的光学系统;第二类方法避免了复杂的离轴优化,适用于紧凑型光学系统。