现代工业零部件的加工已经实现了无需二维标注图纸，由计算机辅助设计3D模型直接输入数控系统加工。加工工艺的进步给工件测量和质量评价方法带来了新挑战，通过获取零部件的高精度稠密三维点云的“靠模”质量评价方法得到了重视，特别是对于结构复杂的零部件。然而，高精度复杂结构的零部件三维测量遇到两个难题：1）金属零部件加工后表面光洁度很高，主动投射的条纹光束会引起金属表面的强烈反光致盲或者复杂结构引起的投射光多次反光混叠；2）复合材料的半透明会引起投射光的次表面散射。这些因素都会导致测量失效。现有结构光主动视觉三维重构技术无法解决上述难题。针对复杂型面免喷涂三维重构问题，建立基于单像素成像方法的复杂光照分离模型，实现直接光与复杂光照分离。为了解决单像素成像方法效率低、速度慢、难以满足工业现场测量需求的问题，提出一种基于局部区域延拓的并行单像素成像方法。实验结果表明，并行单像素成像方法能够很好地实现工业测量现场多次反光与次表面散射光干扰条件下的三维重构。

暗弱的近地小行星一方面存在碰撞地球的威胁, 另一方面, 也正因为它是离我们人类最近的自然天体, 成为人们研究太阳系行星和小天体起源和演化以及未来人类所需矿物质补充采取的目标。但是, 利用地面望远镜, 很难直接“看到”近地小行星大小和形状, 对其质量和内部结构的测量就更困难。目前, 人们多是利用小行星光度的测量值及其时序变化开展小行星形状、自转参数及物质组成的反演研究。本文选取适用于无大气天体表面的散射律, 假设从简到繁的小天体形状(三轴椭球－Cellinoid椭球－凸面体), 开展了包括近地小行星在内的小行星基本物理参数的反演研究。应用蒙特卡洛方法, 实现了小行星凸面体反演参量(形状、自转轴指向、自转速率以及表面散射参数)的不确定性评估。利用Lommel-Seeliger 椭球模型, 分析了阿波罗型近地小行星(155140)2005UD的形状、自转轴及自转周期以及相位函数参数的测定; 利用Cellinoid椭球体模型, 实现了小行星(106)Dione的测光数据分析; 利用凸面体模型, 对小行星(103)Hera及 (345)Hermentaria的测光数据进行了反演分析。针对观测数据少, 且存在对地球碰撞危胁的近地小行星, 可采用参数较少的Lommel-Seeliger椭球体光度模型, 快速得到小行星的三维大小及自转参数的粗略估算。增加了3个形状参数Cellinoid椭球体模型可以提高对具有不对称峰值光变曲线的拟合。小行星凸面体模型对小行星光变曲线的拟合最好。新建立的凸面体模型加蒙特卡洛算法, 实现了小行星凸面体模型中待测参数的最佳解及其不确定性的估算。

为了评价软X射线掠入射望远镜的成像质量, 提出了一种利用ZEMAX和MATLAB相结合的像质评价方法。根据这种方法编写的像质评价程序不仅考虑了孔径衍射、几何像差和装调误差等因素对成像质量的影响, 而且加入了望远镜面形误差和X射线散射效应的影响。利用勒让德-傅里叶多项式和用户自定义表面, 在ZEMAX中建立带有面形误差的筒状反射镜表面模型, 实现对真实面形的掠入射反射镜的仿真; 根据Harvey-Shack散射理论建立了ZEMAX中的BSDF散射模型, 实现对X射线散射的仿真。搭建X射线有限远成像实验装置, 对像质评价程序进行了验证。实验结果和仿真结果对比表明: 实验光斑和仿真光斑的光强分布基本一致, 以实验结果为基准, 仿真光斑的半高全宽横向和纵向的相对误差分别为14.7%和11.3%。说明像质评价程序的仿真结果基本符合真实情况, 对掠入射光学系统的设计和加工具有一定的指导意义。

研究X射线散射法在软X射线掠入射望远镜反射镜的表面粗糙度测量中的应用。首先, 在光滑表面近似和细光束条件下, 根据Harvey-Shack表面散射理论得出反射镜的面形仅影响总反射光分布中的镜向部分, 对散射部分的影响可以忽略不计; 然后设计了X射线散射法测量Wolter-I型软X射线掠入射望远镜的表面粗糙度的实验方案, 并且对引起系统误差的主要因素进行了分析, 确定了进行仿真实验时的参数; 最后用Zemax对实验方案进行了仿真。在空间频率高于28/mm时, 表面粗糙度的仿真测量结果与真值吻合得非常好。本文研究结果显示: 在光滑表面近似和细光束条件下, 反射镜的面形仅影响表面粗糙度的低频部分的测量准确性, 对高频部分测量准确性的影响可以忽略不计, 利用X射线散射法可以准确测量软X射线掠入射望远镜的表面粗糙度。

根据基尔霍夫近似理论分析了金属粗糙表面在太赫兹频段的散射规律及影响因素, 通过加工不同粗糙度的金属铝板样品, 基于远红外激光器搭建的单频点散射特性测量系统及远红外傅里叶光谱仪(FTIR)的宽带反射率测量系统, 对粗糙铝板的散射规律进行了实验测量与验证, 发现实验测量结果与基尔霍夫近似计算结果具有良好的一致性, 证明了峰值散射系数与粗糙度和频率的负相关性, 以及与入射角度的正相关性。分析了近似光滑和较大粗糙度两种极限情况下的散射特性, 给出了基尔霍夫近似理论在太赫兹频段的适用条件。相关结论为复杂目标散射特性的理论计算奠定了基础, 对太赫兹频段雷达相关理论和技术的发展具有重要意义。

针对天文望远镜光学系统中镜面散射对成像质量的影响, 提出了一种基于反射镜表面功率谱密度计算离轴三反成像系统像面环围能量比的方法。基于Harvey-Shack散射模型, 提出了像面光强分布与反射镜表面功率谱密度的关系, 描述了离轴三反系统中的散射在各个反射面的传播过程, 并给出了像面光强分布与反射镜表面有效均方根相对于工作波长的比值的关系。通过多手段测量获取1.5 m口径加工样件在不同空间频率频段内的表面功率谱密度, 利用k-相关模型拟合其全频段一维功率谱密度和二维功率谱密度, 加工样件的面形精度有效均方根(在1/D到1/λ范围内)为13.7 nm。对比了离轴三反系统在不同工作波长下像面环围能量比的分布, 给出在我国某大型空间天文望远镜在考虑散射情况下的加工要求, 镜面的有效均方根为10.3 nm, 其中低频误差均方根小于8 nm。

为了验证受海表面风速驱动的海表面反射率模型和计算海表面信号进行零风速校准的精度, 开展了激光雷达海表面散射信号强度和速度特征的分析。在强度特征信息方面, 进行了海表面反射率仿真模型和机载激光雷达海面散射信号实测数据的对比, 考虑激光水下散射, 参考QuikSCAT的海表面风速大小, 测量结果和模型曲线基本吻合。在速度特征方面, 通过海表面运动波形的仿真和海表面速度信息的提取, 考虑波面的垂直和水平运动, 采用时间积分的海表面探测信号零风速校准误差小于0.2 m/s。