该文设计了一种“十字-圆环”型结构超表面，并利用该结构实现了2-bit编码的相位梯度超表面(PGMS)设计。结合超表面阵列的特点，提出了一种改进的遗传粒子群算法(GAPSO)与阵列模式综合(APS)的组合优化算法GAPSO-APS，得到超表面编码矩阵的最佳排列，从而实现了宽带雷达散射截面(RCS)的大幅缩减。对设计的超表面进行仿真，并与金属表面进行了对比。结果表明，设计的编码超表面可在3.1~29.7 GHz频带内实现10 dB的RCS缩减，有效地验证了所设计的编码超表面在宽频带内实现RCS的缩减以及算法的有效性。

本文设计了一种编码相位梯度超表面，用于实现太赫兹频段的雷达散射截面（RCS）缩减。依据Pancharatnam-Berry（PB）几何相位原理在超表面单元中引入相位梯度，设计出1 bit编码的两个元素“0”和“1”，使得两者的反射相位差接近180°。通过遗传算法得到编码相位梯度超表面中编码元素的最佳排列，实现了太赫兹波宽带RCS缩减。对编码相位梯度超表面进行建模分析，结果表明，在0.87~1.725 THz的宽频段内，设计的1 bit编码相位梯度超表面能实现大于10 dB的RCS缩减，最大缩减值达到31.26 dB。此外，分析了x和y极化波的入射角度变化对编码相位梯度超表面性能的影响，在0°~30°范围内，其性能稳定。以上结果表明，该类超表面在雷达隐身等方面具有潜在的应用价值。

为了实现结构简单、透射率高的双折射超表面, 采用广义薄板跃迁条件分析了该超表面结构与其周围入射场、反射场和透射场的关系, 并利用介质空间域的表面极化率、磁化率等描述了相应超表面的等效特性, 设计出一种基于π型金属结构单元的双折射超表面。通过将具有梯度透射相位的7个单元按照顺序排列, 形成具有对垂直入射x, y极化电磁波双折射性能的超表面。结果表明, 在波束折射和偏振分束超表面中, 损失均低于-8dB; λ/4波片中达到全透射;所设计的双折射超表面对垂直入射的电磁波具有高透射特性, 并且能够分离x极化电磁波和y极化电磁波的波束, 实现双折射。该研究结果对高性能超表面的设计与实现具有一定的指导意义。

为了探索大随机相位误差条件下合成孔径雷达(SAL)成像特点和规律, 本文采用波长为1 550 nm 的线性调频激光器建立了能够产生大的共模随机相位误差的条带模式SAL成像实验装置。利用此装置获得了不同目标回波强度下条带模式SAL成像实验数据, 结合条带模式相位梯度自聚焦(PGA)多次迭代处理, 获得了高分辨率SAL图像。实验发现在［-645π,645π］范围的大随机相位误差下, 通过简单的距离压缩和方位匹配滤波, 无法实现SAL图像聚焦, 图像信噪比仅为3 dB。进一步采用PGA处理, 就能很好地校正相位误差, 得到聚焦良好的SAL图像, 图像信噪比达到43 dB。实验还发现, 当存在大共模随机相位误差时, PGA处理展现出非常强的鲁棒性, 在回波弱到10-15 W的情况下依然有效。在大相位误差存在的SAL系统(如机载SAL)中, PGA处理能有效消除相位误差, 实现图像聚焦; 另外, 增大探测激光功率以提高成像数据信噪比, 将有助于提升PGA处理效果。

提出一种基于分块相位梯度算法(PGA)的多舰船尾迹合成孔径雷达(SAR)图像自动识别方法。首先在多结构形态学滤波和自适应阈值(OTSU)分割的基础上, 利用分块PGA算法消除运动舰船的位置偏移和像元模糊, 还原舰船实际信息; 利用改进的局部Hough变换对分块图像进行检测和识别, 根据识别出的尾迹坐标和角度反演运动舰船位置和航向信息。检测结果表明, 该算法可准确检测SAR图像中舰船的实际位置和航向, 识别准确度高, 抗干扰性强。

相位解包算法主要分为路径相关算法和路径无关算法, 广泛应用于光学测量领域。针对残差相位中含有噪声的问题, 提出了改进的基于全变分最小去噪的路径无关相位解包算法。首先在包裹相位图中求出相位梯度, 然后用全变分最小方法对相位梯度图去噪, 通过积分获得近似的相位解包图, 并进一步去除了残差相位图中的噪声, 经多次迭代获得最终的相位解包图。通过仿真和实验对比了去除噪声前后解包相位与原始相位的误差。结果表明, 残差相位去噪后得到解包相位的峰谷值、均方根值误差均小于未去噪的情况。

相位梯度自聚焦（PGA）算法广泛应用于合成孔径雷达的运动误差补偿。激光信号波长比微波信号小3~4个数量级，因而在合成孔径激光成像过程中，实验平台的振动会引入极大的相位误差，导致成图质量下降。在合成孔径激光雷达（SAL）成像过程中应用PGA算法，并针对激光波段信号的特点对传统的PGA算法在加窗方法上加以改进。实现了SAL样机在室外64 m成像距离下的快速合成孔径激光成像的实验验证，证明PGA算法能够实现散焦数据中相位误差的精确补偿，且改进后的PGA算法在达到同样补偿效果的前提下，迭代次数更少。

报道了一个条带模式合成孔径激光雷达(SAL)实验室高分辨率成像结果。以0.5 mm×0.5 mm 的等效收发口径，在一个12.9 m 距离上，实现了高分辨率SAL 成像，获得了照片级的高质量图像。图像的方位合成孔径分辨率超过真实口径衍射极限分辨率的100 倍。详细给出了合作目标和漫反射目标的距离压缩像、方位聚焦像和相位梯度自聚焦(PGA)处理像。实验数据展现了清晰的SAL 图像形成过程，显示出了各处理步骤的典型聚焦效果。实验结果演示了PGA 在SAL图像处理中的稳健聚焦能力，多次迭代能较大幅度地提高成像质量。

由于发射信号波长极短，目标或平台的微小振动将严重影响逆合成孔径激光雷达（ISAL）的成像效果。同时受激光调制技术的限制，ISAL发射脉冲信号的初始相位存在随机相位误差，这也对ISAL成像造成了极大的影响。现有的相位梯度自聚焦（PGA）算法无法补偿高频振动产生的相位误差；由于目标相对雷达转动分量的影响，空间相关算法（SCA）对补偿上述ISAL中的相位误差效果有限。为解决上述问题，将PGA算法与SCA方法相结合，提出了PGA-SCA相位补偿算法，通过循环移位和加窗处理消除了相邻回波间目标转动的影响。仿真结果表明，PGA-SCA能有效补偿上述两种相位误差，并获得聚焦良好的ISAL图像。

为了解决现有单分子定位算法中定位速度慢和对噪声有评估依赖性的问题，基于补零快速傅里叶变换和相位梯度算子提出一种新型的噪声自由的频率域非迭代荧光单分子定位算法。计算机模拟结果表明该算法定位精度可达纳米量级，而定位速度与解线性方程组法在同一个数量级。进而在传统实验参数条件下，对不同间隔分子带模型进行了模拟超分辨成像。模拟结果表明，可以区分中心相隔30 nm的两个分子带。此外，将该算法用于HeLa细胞突起中微丝束结构的荧光超分辨成像，从重构获得的图像中可以看到微丝束的直径为75~200 nm，验证了该算法的实用性。