传统多光谱关联成像技术的发展受限于系统结构复杂和数据量大。为提高多光谱图像的复原效率，本文提出了余弦编码复用多光谱关联成像技术。将具有确定频率的余弦结构编码与正交Hadamard基图案复用为结构光对目标场景进行调制照明，并用一个宽带光电倍增管收集后向散射信号。在复原过程中，基于余弦编码的傅里叶频移特性可将多通道光谱混叠信息由空间域转换到频率域进行解码分离，最终复原出目标场景的多光谱图像。通过仿真分析了理想低通滤波器、高斯低通滤波器和巴特沃斯低通滤波器对多光谱图像复原质量的影响，并将所提方法与传统方法进行了对比实验。结果表明：所提方法能有效提高多光谱信息的获取效率，缩短图像重建时间；频域滤波时，选用高斯低通滤波器比理想低通滤波器、巴特沃斯低通滤波器更具优势。

发展了一种余弦编码复用高空间分辨率关联成像技术。首先通过构造多个低空间分辨率的余弦编码散斑复用为高空间分辨率调制散斑对目标进行调制照明, 单像素探测器收集调制光与目标相互作用后产生的散射光强, 由迭代算法复原出目标的混叠图像。进而鉴于余弦编码所特有的确定性频谱结构, 利用数字图像处理方法高效解码重构出多个低空间分辨率物体图像, 最终拼接为高空间分辨率目标图像。理论分析了余弦编码复用高空间分辨率关联成像技术实现方法, 并仿真验证了该方法的有效性。本方法大幅降低了传统高空间分辨率关联成像所需的调制散斑, 减少了在线采样时间与离线图像重构时间, 提高了高空间分辨率关联成像的成像效率。

基于光波大气传输理论，模拟了斜程大气路径下空基光学系统的成像过程，分析了不同条件下大气湍流对成像质量的影响，并与理论结果进行了对比。当系统口径小于大气相干长度时，分辨率随口径的增大明显提高，而在系统口径大于大气相干长度后，分辨率随口径的增大逐渐趋于一稳定值，最佳口径值为2r0（r0为大气相干长度）。通过对不同折射率结构常数模型的仿真可以看出，随着传输距离的增加，最小可分辨长度先是逐渐增大，在传输距离大于50 km后，最小可分辨长度趋于一稳定值。由此可见，当传输距离小于50 km时，大气湍流对光学系统成像质量的影响较大。较弱的大气湍流对空基光学系统地面分辨率的影响为2~3 cm，而较强的大气湍流对空基光学系统地面分辨率的影响可达到7~10 cm。对流层顶的高空湍流对成像效果的影响较为显著，若不考虑此高空湍流的影响，分辨率可提升1.4倍左右。

关联成像受限于成像机制, 其空间分辨率与时间分辨率相互制约。成像空间分辨率越高, 所需的调制散斑越多, 对应的采集时间越长。针对此瓶颈, 提出采用多个低空间分辨率散斑同时对高空间分辨率物体调制的关联成像方法, 利用单像素探测器接收被调制物体信号, 并基于迭代算法与压缩感知算法重构高空间分辨率成像物体图像。利用数值仿真验证了所提方法的有效性。研究结果表明, 所实现的高空间分辨率关联成像技术大幅降低了调制散斑数量, 减少了在线采样时间, 在生物医学等要求高空间分辨率且对采样时间苛刻的领域具有重要的应用价值。

激光在大气传输过程中, 由于湍流折射率的随机起伏会引起波前畸变、光斑漂移、闪烁等一系列光学湍流效应, 因此严重制约了遥感成像系统和激光通信技术的发展。通过分析大气光学湍流对多个领域的影响, 指出了探测大气光学湍流廓线的重要意义。要想获取光学湍流的时空分布规律并准确评估光学湍流对光学成像或激光传输系统的影响, 就必须对光学湍流进行准确的测量。以光学湍流特征参数为视角, 介绍了目前国内外探测大气湍流廓线分布的方法和研究进展, 总结了各技术方法的测量原理及优缺点。最后对拟开展的差分波前激光雷达探测大气湍流廓线的方法进行了简要介绍, 该技术具有空间分辨率高且不存在聚焦焦移的探测优势。初步的仿真研究结果表明该雷达系统对大气光学湍流廓线的探测具有可行性。

差分波前激光雷达是基于双孔望远镜探测的激光回波波前差分抖动方差来探测大气光学湍流强度的雷达系统。为评估与优化系统探测大气湍流的性能,进行了数值仿真。基于波动光学理论、大气湍流相位屏模型和大气消光模型来模拟激光在垂直大气路径上的传输,并结合网格采样的优化设计,得到了激光光束在传播路径上不同位置的光强分布。利用非相干光源成像原理,根据不同传输路径处的后向散射光强分布得到了探测器上两个光斑图像的分布信息。根据仿真结果,随着湍流强度的提高,光束波前畸变程度加深。成像光斑直径随着探测高度的增大而减小,探测高度为10 km时,成像光斑直径减小到2.45×10 ^-4 m。通过对比仿真的反演结果与仿真输入的HV_5/7(Hufnagel-Valley 5/7)的结果,发现两者具有较高的一致性,这初步证明差分波前激光雷达探测大气湍流的原理及方法的可靠性。

为了初步探究淮南地区大气SO2及NO2的不同时空分布特征,采用自研的差分吸收激光雷达系统测得某地（淮南地区）部分月份大气SO2及NO2气体浓度分布廓线,并选取其中典型实例从气体水平浓度日变化、垂直浓度变化以及水平浓度月变化3个方面分析了SO2及NO2分布特点。结果表明,同一天夜晚时刻,SO2及NO2气体浓度大于下午时刻的气体浓度；SO2及NO2气体垂直浓度随高度增加呈递减趋势；SO2及NO2气体水平浓度月变化变现为冬季月份气体浓度最大,夏季月份气体浓度最小,春、秋季月份次之。SO2及NO2浓度变化特征是人群活动和气象条件变化共同作用的结果。

近年来, 偏振关联成像受到了研究学者的广泛关注, 其在目标探测、特征提取等领域有着一定的应用价值。全Stokes偏振关联成像系统可以获得目标的多个偏振态图像, 利用这些图像可分别从不同的角度分析目标的本征偏振信息, 但是这些图像之间具有很强的互补性和冗余性。为此将HSL-RGB图像融合技术应用于偏振关联成像系统中, 将系统获取的多个偏振图像进行有效地融合, 来全面描述目标结构, 提高目标探测识别效能。实验结果表明该融合技术在提高偏振关联成像系统识别和探测性能上效果显著。

为了研究测污激光雷达对水平能见度和垂直气溶胶消光系数变化趋势的探测, 采用污染气体探测激光雷达, 以斜率法和Fernald方法, 反演了301.5nm和446.6nm在水平及垂直方向的消光系数, 以及波长的Angstrom指数。结果表明, 水平方向上, 301.5nm和446.6nm的消光系数和能见度随时间变化均保持一致性; 垂直方向上, 301.5nm和446.6nm气溶胶消光系数随时空变化趋势相同, Angstrom指数随着时间的推移有所变化, 但空间变化趋势相同。该结果对分析差分吸收激光雷达修正气溶胶的影响是有所帮助的。