对棱镜分光式单目立体视觉系统进行了深度方程的推导，修正了棱镜位姿偏移引入的成像误差，分析了位姿引起的成像视场变化。该系统由一个相机与两个具有相同参数的双棱镜组成，相机单次拍摄可获取两幅具有视差的子图像，这可视为两个具有一定夹角的虚拟相机同时成像。采用虚拟点模型与光线追踪法推导深度方程，建立视差与深度方程参数之间的关系，进一步研究了系统中物距与夹角对图像深度信息与视差的影响。棱镜组的人为放置，不可避免地引入位姿误差，进而影响每个成像通道中的成像视场。基于棱镜的旋转与偏移，建立了修正的虚拟点模型，并深入研究了棱镜组位姿对系统成像与视场产生的影响；最后通过实验验证了理论与推导的有效性与准确性。

为扩大体全息光栅波导的出瞳直径和视场，提出了二维扩瞳和视场扩展的两重体全息光栅波导设计方法。该波导结构的出耦合光栅由两个两重体全息光栅构成，用于实现二维扩瞳。将入射视场分为两条路径传播，每条路径负责一半的视场，最后将两部分视场拼接形成完整视场。该方法不仅扩大了出瞳直径，还有利于增大全息波导系统的视场角。介绍了二维扩瞳视场扩展的光学原理和设计方法，最终实现的系统水平视场为48°，垂直视场为27°，出瞳尺寸为16 mm×13 mm。实验结果验证了所提方法的可行性。该方法在扩瞳的同时有助于扩展视场角，为头戴近眼显示设备提供了具有前景的有效方案。

星敏感器是自主导航姿态控制系统中的重要组成部分之一。作为星敏感器的核心部件，信息处理系统对其整机性能有重要影响。基于飞腾多核DSP+复旦微FPGA架构设计了一种全国产化多视场星敏感器信息处理系统。在设计中采用EMIF接口和GPIO接口与复旦微FPGA进行数据交互及控制，将2片串行 Flash用于存储星库数据和启动程序，将2片DDR3芯片用于缓存数据。详细介绍了信息处理系统的整体软件流程设计、算法流程设计及实现。经试验验证，该系统可稳定运行并输出正确姿态。在星图分辨率为2048×2048的情况下，系统无初始指向时的数据更新频率为20Hz，有初始指向时的数据更新频率为625Hz。运算性能约为普通ARM架构的3倍，对于提升多视场星敏感器的实时性、丰富其工程化实现方法具有重要意义。

针对旋翼无人机视觉伺服中相机视场范围过小等问题, 提出一种基于云台相机的视觉伺服控制方法, 实现了旋翼无人机在经典视觉伺服视场外位置的定点悬停控制。首先建立了云台相机的图像特征运动学模型, 设计了基于云台相机的旋翼无人机视觉伺服控制方法, 并将模糊PID算法融入云台控制, 旨在提高响应速度。分别进行了近目标点和中远目标点的旋翼无人机视觉伺服定点悬停仿真。仿真结果表明, 所提方法大幅扩大了旋翼无人机视觉伺服控制的视野范围, 扩展了无人机视觉伺服的应用场景。

为了提高激光周向探测中出射光场的均匀度，增加其有效作用区域，本文提出了一种采用圆锥型视场的前倾探测方案。基于六象限分区的布局方式，该系统利用非球面透镜对激光二极管的输出光束在子午和弧矢两个方向同时进行准直，通过鲍威尔棱镜实现弧矢方向扩束匀光，采用偏转棱镜保证光束前倾角为60°，并借助弧矢方向上的柱面镜进行完整的圆锥型视场拼接。在不同距离处的模拟仿真结果表明，系统在子午方向上出射视场角为±0.75°，在弧矢方向上可以覆盖360°视场完成周向探测。系统出射光场在四个目标平面上的照度均匀度均大于90%，能量利用率可达98%以上。该系统结构紧凑，整体仅由三片透镜构成，实现了一体化设计，为激光周向探测系统中的光学设计提供了参考。

沙氏激光雷达是一种可实现近距离高分辨率探测的系统，而室内气溶胶的扩散研究对其探测范围提出了严苛的要求。以沙氏激光雷达技术为基础，提出对远场和近场的气溶胶后向散射信号进行同时探测的双视场技术方案。该方案通过融合双视场的信号获取极小盲区的全路径信号廓线。在室内环境下，利用人工施放的气溶胶对所研制的双视场沙氏激光雷达系统进行了测试实验。实验中，在路径末端7.1 m处设置硬靶，提供边界值标定，从而反演得到气溶胶消光系数。实验结果表明：相比单视场探测系统，双视场探测系统的盲区由1.26 m缩小到0.36 m；同时，系统距离分辨率在最近处为0.1 mm，在最远处为15 mm；通过对两个视场信号的定标融合，全距离范围内气溶胶反演结果具有较好的时空连续性。

高光谱遥感能够提供丰富的地球表面信息, 因而受国内外学者的广泛关注。 受到技术与工艺水平影响, 目前单个高光谱相机无法同时满足成像大视场和高分辨率的应用需求。 拼接式高光谱相机技术将多个高光谱相机组合成一个成像系统, 有效地扩大了高光谱相机的视场, 在精准农业、 对地观测、 环境监测等方面有着广泛的运用。 由于探测器像元响应, 光学系统, 电子学系统等因素的影响, 高光谱相机的焦平面阵列在同一均匀辐射源下, 探测器单个像元输出会出现不一致的现象, 该现象即为高光谱相机的非均匀性。 拼接式高光谱相机的非均匀性会严重影响相机成像质量与图像判读。 目前, 非均匀性校正主要分为基于定标的校正方法和基于场景的校正方法两大类。 通过对中国科学院空天信息创新研究院研制的拼接式高光谱相机非均匀性的分析, 建立了单台相机和多台相机间的非均匀性模型, 并根据非均匀性模型提出了一种基于重叠视场的拼接式高光谱相机非均匀性校正方法。 该方法综合运用了实验室定标数据与实时飞行数据, 利用实验室辐射定标校正单台相机非均匀性, 利用相机间重叠视场并引入小波滤波计算非均匀性系数校正多相机间的非均匀性。 由于该方法在实验室仅需要对单台相机进行辐射定标, 因此也摆脱了需要大口径积分球光源的限制。 开展了一系列对不同方法处理后图像质量进行评价的实验。 选取了存在非均匀性两个不同的波段图像作为原始图像, 并用该方法与对比方法对原始图像进行处理。 为了能够定量地对不同方法的校正效果进行对比, 引入了图像质量的提高系数(IF), 非均匀性(NU)与光谱角(SA)三个评价指标。 结果证明, 本文提出的基于重叠视场的拼接式高光谱相机非均匀性校正方法具有最好的非均匀性校正效果, 同时最大程度保留了光谱特性。