为满足光谱仪微型化、便携化的要求，并克服基于台式电脑处理系统的光谱仪在户外使用不便的缺点，研制了一种基于Android系统的微型光谱仪。介绍了仪器研制过程中的光学、机械、电子学以及应用软件(APP)的设计。光学系统利用平场全息凹面光栅简化系统光路结构，机械结构使用3D打印技术一体化成型。选用线阵CCD（TCD1304DG）作为光电探测器，用全新的STC15系列嵌入式微控制单元(MCU)为控制核心，采用Android USB(系统通用串行总线)接口用于通信，完成了Android系统下高分辨率光谱数据采集系统的设计。编制APP用于实时处理光谱数据。运用电子快门技术，实现了Android设备对CCD积分时间的实时在线可调，满足了便携式光谱仪在不同环境下的工作要求。设计方案以Android系统作为数据处理平台，代替了传统台式电脑处理系统，体现了较好的便携性优势。

根据对阵列探测器光电响应误差校正的要求, 基于纳米颗粒溶液漫散射效应建立了能产生高平整度参考光场的激光平场系统。介绍了激光平场装置的结构和工作原理及光学设计中涉及的若干关键技术。使用光纤将激光高效地导入溶液中, 通过优化光纤位置和腔体结构参数, 在保证一定光场均匀度的前提下, 提高系统的光能利用率, 降低界面上的背向散射损耗。基于改进过的蒙特卡洛程序, 数值计算了腔体材料反射率对系统透射率的影响。最后, 利用现有的高反射率聚四氟乙烯材料, 设计了激光平场系统。结果显示, 光纤端口的最优位置取决于腔体反射率, 对于高反射率的腔体材料, 靠近腔体背部的光纤端口可以有效增强前向散射。设计的激光平场系统能够提供的光场均匀度好于0.3%, 可基本满足长程面形仪等高精度激光测量装置中探测器误差校正的需求。

介绍了一种基于面阵CCD相机360°扫描的全景成像系统。从系统组成及功能出发, 详细描述了系统的工作流程, 通过对CCD相机旋转获取更大垂直角度的图像, 对图像数据量进行分析, 采取压缩、解压缩手段解决网络通信中数据量大的问题, 提出了一种基于位置信息进行全景图像拼接的方法, 同时提出了一种基于灰度值映射数组的全景图像增强的算法。

针对光电跟踪系统稳定精度测试需求, 提出一种稳定精度动态测试方法。该方法基于光学自准直原理, 采用面阵CCD探测器, 结合图像求取质心算法, 实现被测系统的动态测试, 通过该装置获得了稳定精度测试结果。结果表明: 测试50 μrad级两轴两框架系统动态稳定精度, 通过该测试方法测出其稳定精度最大为48 μrad。

通过分析Chang’E-1卫星所获取的高光谱数据的太阳高度角因素， 选取了太阳高度角较高的IIM 2C数据进行光谱定标。 采用邻域平均法及邻域加权均值法对原始数据进行了杂点、 条带修复。 由于干涉成像光谱仪CCD阵列增益畸变以及它的自身问题使得干涉影像存在横向响应不均一性， 提出采用基于子空间最大特征值法进行校正， 结果影像亮度统计其强度表现均一， 符合自然图像特征， 并采用自编程序进行几何校正。 运用国际上较为成熟的经验线性法对Chang’E-1 IIM 2C数据进行绝对定标； 与此同时， 为了修正线性定标的偏置系数及降低数据噪声， 首次采用自适应小波变换法对辐射定标后数据进行后处理， 确定了IIM 2C数据可用波段。 通过对比国际标准定标点数据， 制订了嫦娥IIM2C数据分析方案， 完成了第一幅完整的Chang’E-1 IIM 2C月球正面反射率影像。

介绍了自制的地基多轴差分吸收光谱系统，该系统采用二维面阵CCD探测器，将不同水平仰角所接收的光信息分布在面阵CCD的不同区域，实现了对不同水平仰角痕量气体的同时测量，并对系统中面阵CCD探测器的偏置、暗电流、噪声、响应线性以及成像光谱仪的分辨率、光谱范围等性能进行了测试。给出了该系统对不同观测水平仰角下大气O₃的监测结果，结果表明此多轴差分吸收光谱系统能够满足大气监测的要求。

研究了采用面阵CCD探测器测量光束参量的技术问题,研制了一套高精度激光参量测量系统,对其光学系统像差与光场干涉原因进行了理论分析,实验测量了连续抽运1064nm固体模式发生器产生的基模厄米高斯光束,分析对比了其输出光束带有干涉条纹时对测量精度的影响,对光学系统的设计提出了具体技术要求,为同类装置的研制提供了参考依据。

根据光度学的理论,分析了面阵CCD运用在影像光度快速测量中存在的问题和解决办法,讨论了面阵CCD匹配成与人眼视觉相符合的光度匹配器的匹配方法和误差推算方法,详细介绍了运用光电积分法结合面阵电荷耦合器的影像光度快速测试系统的工作原理、组成结构和设计方法.系统一次成像即可实现全画面各个细节的光度信息,为影像光度参数的快速测试提供了较好的应用技术.

分析线列CCD摄像机交汇测量的原理,以空间虚拟的光电靶代替实物靶来实现对弹丸目标脱靶量的实时获取。在分析了CCD摄像机测角精度与布站方式等影响交汇测量精度的因素后,对光电靶面上不同位置点的CCD摄像机交汇坐标测量精度进行了计算,给出测量精度与布站的关系,指出CCD摄像机正交布站时系统具有最高的测量精度。