提高星光大气折射模型精度对于改善天文导航系统的精确性具有重要意义。本文针对目前常用的美国标准大气（USSA）和COSPAR国际参考大气（CIRA）参考模式精度较低的问题，利用高分辨率的美国国家环境预报中心（NCEP）大气参数数据结合傅里叶插值算法建立了大气参数时空变化模型，根据不同高度、不同经纬度的大气折射率，计算了星光在大气中的传播路径，并建立了星光大气折射模型。与现有模型对比分析表明，本文建立的大气温度时空变化模型拟合实测数据时的相对误差小于2%，平均绝对误差小于3.5 K，大气密度拟合的相对误差小于4.39%，1月低纬、中纬和高纬的折射时空模型与传统单点模型之间的相对误差分别为37.64%、9.79%和28.78%，7月低纬、中纬和高纬的折射时空模型与传统单点模型之间的相对误差分别为27.95%、26.89%和39.10%，因此考虑了时空变化的星光大气折射模型理论精度更高。

针对水下环境中因光线折射、水体浑浊等产生的物体特征点难以提取的问题,设计了一种利用线结构光阵列提供视觉特征的水下双目测量系统,通过提取光条中心获得大量特征点。推导建立水下双目光路折射模型,并提出一种改进的外极线匹配方法,用于获得特征点三维坐标,实现了水下物体的测量和三维形貌还原。实验结果表明,所提方法对水下物体的测量精度与陆上相当,测量误差在0.3 mm以内,满足测量精度要求。系统测量过程快速准确,适用于水下实时定位测量。

在传统射电望远镜指向误差修正模型的基础上, 考虑大气折射对指向精度的影响, 提出了一种利用实时的温度、大气压强和相对湿度等数据实现大气折射角度精确计算的指向修正模型.针对不同的气象条件, 对这一模型和传统模型的修正精度进行了仿真分析和对比, 并将该模型应用到了上海天文台天马站65米射电望远镜的指向修正中.在65米射电望远镜Ku频段的观测实验验证表明, 新的指向修正模型优于传统模型, 65米指向精度在20°仰角以下提高了25.8%, 15°仰角以下提高了45%, 10°仰角以下提高了60%, 总的俯仰指向精度达到5.00″, 比传统方法提高了5.3%.基本消除了由大气折射引起的低仰角指向精度恶化.

针对水下非平行双目成像系统图像匹配时无法进行平行校正，并且不再满足空气中的极线约束条件这一问题，推导出一种适用于水下的极线约束模型。根据摄像机和防水罩间相对位置关系的不同，把水下双目成像方式分为平行成像、共用折射面成像和独立折射面成像三种情况，并推导了后两种情况的极线约束模型。对摄像机进行标定，利用尺度不变特征变换(SIFT)进行立体匹配，推导了参考图上特征点在待匹配图上所对应的曲线，根据待匹配图上特征点是否在曲线上，剔除误匹配点，提高匹配精度。实验结果表明，利用所推导出的水下曲线约束模型，可以有效地剔除误匹配点，降低误匹配率。