针对传统检测跟踪算法无法有效处理迎头点目标的问题，提出了基于红外序列图像相邻两帧间匹配的检测算法。根据迎头点目标的红外序列图像特点，采取点对点标记匹配结果，点对点统计标记次数，阈值门限输出迎头点目标。算法无需假定目标点位置，检测过程不随背景复杂程度和目标点数目变化而变化，尤其解决了高噪声情况下迎头点目标的检测和跟踪问题。算法结构简单、存储量小、运算速度快，根据多次仿真和实拍照片实验，验证了该方法的可行性和有效性。

为了更加完备地描述虹膜的纹理特征，利用虹膜图像灰度信息提取局部特征点、局部纹理方向和局部纹理的亮暗变化三种特征共同构成纹理的特征空间，克服了之前的多数虹膜识别算法提取单一特征易受干扰影响的局限性。然后，通过设计的模糊推理规则进行模式的分类，这种分段线性分类器的设计提高了算法线性分类的能力。分别在两个图库上进行了实验，识别率分别达到99.41%和99.67%，实验数据表明：结合多种特征能较好的反映虹膜的纹理变化特征，提高了虹膜识别的正确率，使算法具有非常优越的识别性能。

在复杂背景下的目标跟踪过程中，通常会遇到目标被遮挡的情况，此时依靠单一的跟踪算法无法解决上述问题。在静止背景下，利用目标的历史运动轨迹，可以解决短时间遮挡的问题，但在运动平台上，由于相机运动和目标运动同时存在，目标的运动轨迹无法利用，因此本文创新地引入了KLT 稀疏光流场算法，对两帧之间的大量特征点进行跟踪匹配，通过随机采样一致性算法鲁棒地估计出两幅图像之间的变换参数，对由相机移动引起的背景运动进行补偿，转换为静止背景下的运动目标估计。实验结果表明，该方法可以有效地解决目标遮挡问题，并成功应用到机载目标跟踪平台。

提出通过提取人脸表情图像的Gabor 特征，结合二次降维的方法，进行人脸表情识别。针对Gabor 特征提取后维数变高，冗余很大的特点，先对高维特征进行采样，再引入二维PCA 算法对Gabor 特征进行选择，以达到降维的目的。然后采用基于模糊积分的多分类器联合的方法对7 种表情进行融合识别。在JAFFE 库上进行测试的结果验证了该算法的有效性，与2DPCA 算法及传统特征提取算法相比，本文算法取得了较高的识别速度和精确度。该算法能更有效的提取反映表情状态的特征。

公共安全、工业控制、科学研究等领域对摄像机的分辨力和帧率提出了越来越高的要求。针对这一应用需求，本文提出了一种200 万像素、每秒15 帧高清高速数字摄像机的设计方案，给出了设计中关键技术的解决方法。该设计主要由ICX274、AD9923A、XC3S1200E、TE3310RPF 和AT91RM9200 等组成。AD9923A 为ICX274 提供垂直和水平驱动时序，放大ICX274 输出的模拟视频信号，完成模拟视频信号的AD 变换。XC3S1200E 将AD9923A输出的数字Bayer 信号转换为YUV格式数字信号送给TE3310RPF，并由TE3310RPF 实现JPEG 压缩。AT91RM9200通过网络将图像压缩数据传送到客户端。解决的关键技术包括CCD 垂直、水平时序的产生，CCD 信号相关双采样的控制，Bayer 信号到YUV 信号的转换，数据压缩以及压缩数据的采集与网络传输。实验结果表明，该设计方案每秒可以采集、压缩、传输200 万像素图像15 帧，图像质量较好。

针对大型工件的复杂曲面难以精确测量，国外的商用摄影测量软件占据垄断地位。在国内率先开发了近景工业摄影测量系统XJTUDP，介绍了系统的组成、开发内容，研究了基于亚像素边缘拟合的高精度标志点中心检测方法、编码点设计及编码点自动检测方法。重点研究了基于摄影测量的相机标定和三维重建技术，包括共线方程、基于共面方程的像片定向、直接线性变换解法、外极线几何约束和光束平差解法。参照VDI/VDE2634 测试方案，以自行设计的立方体框架为对象，对XJTUDP 系统和TRITOP 系统进行了测试，得出两者精度均小于0.1mm/m 的结论，证明开发的系统完全可以应用在工业测量领域。

针对全钢子午线工程轮胎X 光无损检测的特点和技术要求，本文研制了一种基于X 光透射成像和图像模式识别技术的全钢子午线轮胎缺陷检测识别系统。本系统以扇形X 射线作为光源，用CMOS 线阵探测器采集连续无盲区、清晰的轮胎X 光全景图像，图像的横向分辨能力为0.08 mm；依据钢丝帘线缺陷的特质设计了相应的缺陷识别算法，在采集图像的同时对轮胎内部典型缺陷的自动识别检测。实验结果表明，本系统能够完成内径尺寸从23 inch 到35 inch 的子午线轮胎X 光图像的采集和轮胎内部异物和钢丝帘线交叉、搭接、稀线、排列不均、弯曲、断裂和带束层顺线等典型弊病的在线自动检测工作。

前向增益(FPG)是影响光纤陀螺检测信噪比和死区非线性效应的重要参数。从光纤陀螺物理模型出发推导FPG 表达式，分析了FPG 中各物理环节在空间环境下的性能变化及其对FPG 的影响。在数字闭环光纤陀螺相干检测的基础上提出采用伪随机相关辨识法对FPG 进行在线估计的方法，通过在反馈阶梯波上叠加伪随机扰动作为辨识的输入信号，在数字信号处理器内进行相关解调的同时进行伪随机相关辨识，实时提取出FPG 的值。对陀螺正常工作时的被调制信号、方波解调信号、伪随机扰动辨识输入信号和伪随机解调信号的相关性进行了仿真计算，结果表明伪随机扰动辨识法能够在不影响陀螺的正常工作的情况下实现FPG 的实时在线估计。介绍了伪随机扰动辨识法在硬件中的实现方式，并在光纤陀螺SFS 光源组件辐照试验中对FPG 进行了实时估计，结果表明FPG 的估计能够反映出SFS 光源出纤功率的降低及陀螺随机游走系数的变化情况。

差分白光干涉法测量极薄金属带材厚度时，为了克服传统极值法在白光干涉谱数据处理中抗噪声能力差的缺点，提出了一种基于最小均方差(MMSE)意义下的小波变换处理方法。该方法首先对干涉谱测量值进行归一化处理，消除低频光强变化的影响，并用极值法求得光程差(OPD)的初值。然后求归一化后的干涉谱与基于初值的理想干涉谱之间的均方差，当干涉谱的光程差的某个估计值与实际值最接近时，对应的干涉谱的均方差最小。通过逼近法获得均方差最小时对应的估计值。数值仿真和实验结果表明，利用该方法处理差分白光干涉谱数据，可以获得优于极值法的更高的数据精度，而且有效地提高了信噪比。

文章通过分析目前常用的成像光谱仪图像数据压缩方法，确立了决定干涉图压缩的问题关键，在分析实际应用中常用的几种光谱匹配模型的基本原理的基础上，探讨了干涉图匹配和光谱图匹配之间存在的对应关系。从而提出了利用光谱匹配角和干涉曲线匹配角之间对应关系来确定干涉图最大压缩比的方法。在光谱匹配角模型的基础上，通过对一组光谱数据及其对应的干涉图进行试验，验证了利用该方法所依赖的理论和技术依据的可靠性，为建立高效稳健的光谱数据压缩模型提供了理论上的支持，为开辟新的高压缩比的干涉图压缩方法提供了一条思路。

针对遗传算法在景象匹配应用中，都存在精度下降以及收敛慢的缺陷，本文通过对遗传算法机理的分析，定义了遗传算法搜索过程中的“迟滞区”概念，提出了迟滞区内8 邻域搜索的策略。该策略在遗传算法迟滞区内，强制驱动最优个体往适应度更高的方向上运动，使得匹配结果具有较高的精度，同时能够优化基因质量，减少不必要的相似性度量，加快匹配速度。实验表明，与遍历法及传统遗传算法相比，迟滞区8 邻域搜索遗传算法具有运算量小、匹配精确等特点。

高速高机动目标的被动定位跟踪在理论上和实践上均有较高的技术难度，传统的定位算法难以同时满足定位精度和实时性的要求。本文以交互式多模型算法(IMM)为框架，根据多速率跟踪(MRT)的思想，实现了模式空间与测量空间的多速率混合滤波，并给出了多速率常高通(CH)和常高高通(CH2)模型的统一表示形式。同时，引入自适应“当前”统计模型对高度机动的运动模型进行刻画，在此基础上，根据各模型假定的机动性，多模型综合选配了粒子滤波算法和卡尔曼滤波算法，从而建立了高速高机动目标的多速率交互式多模型跟踪算法。实验结果表明，与传统的跟踪算法相比，本文算法定位精度高，误差小于4%斜距；运算复杂度低，具有高于25 Hz 的速率更新目标状态的能力。

针对空中目标的跟踪环境提出一种边缘幅值分布的相关跟踪算法，利用目标的边缘幅值分布作为目标的特征模板，通过求取当前帧中目标特征与目标特征模板相关系数的最优解来进行目标跟踪。与采用对称核函数的均值迁移目标跟踪算法相比，采用目标边缘点作为核函数中的样本点，参与计算的样本点为核窗口中样本的5%～10%，使图像处理速度达到了50 帧/s 以上，满足了实时跟踪的要求。在跟踪过程中，以目标相邻帧间特征向量的Bhattacharyya 相关系数作为目标特征模板的更新判据，实验中相邻帧间目标特征向量的Bhattacharyya 系数保持在0.95～1.0，满足模板实时更新的要求，为稳定跟踪提供了保障。

针对环境辐射对弹道导弹防御(BMD)系统大气层外红外测温精度的影响问题，本文提出了分析地球红外辐射对红外测温精度的影响的方法。该方法根据双波段红外测温的原理，导出了考虑目标反射的地球红外辐射后，红外传感器对目标测量的色温计算公式，并给出了测量误差的分析方法。然后本文以BMD 系统大气层外杀伤器(EKV)红外传感器为例，利用蒙特卡洛方法，分析了在假定的典型场景下，地球红外辐射对测温精度的影响程度。分析表明，地球红外辐射将使EKV 红外测温的精度明显降低。

卫星的红外和可见光信号的特征取决于外部太阳辐射光源的状况，与卫星的运动和姿态确定方式密切相关。按照基本的物理原理对可见光波段卫星红外和光学信号的建模，根据卫星与太阳、地球和传感器的相对位置关系和材料表面光学特性来计算卫星的光学信号。在轨道计算和坐标变换过程中，建立太阳翼对日定向的数学模型来考虑卫星运动和姿态的变化。卫星表面材料的光学特性使用了S-R 双向反射分布函数(BRDF)模型，并推导了考虑直接反射和间接反射红外和可见光信号的计算公式。最后，采用太阳同步轨道的轨道根数进行模拟计算，得到了模型卫星辐射强度的分布和辐射亮度序列灰度图像，并分析了卫星红外和可见光信号的特征。

针对传统的光束整形算法在设计位相型衍射光学元件时效果差的缺点，本文提出了一种适合于位相型衍射光学元件设计的新混合算法。该混合算法是将变尺度BFGS 算法融入遗传算法中，其中变尺度BFGS 算法主要用于局部搜索，同时将罚函数优化准则用于成本函数的构造中。相比于传统的优化算法，该混合算法具有效率高、收敛快和稳定性好等优点。作为一个设计实例，我们分别将传统模拟退火算法和该混合算法应用到高斯光束整形中，进行了数值模拟，为了考察该混合算法的可靠性，设定了衍射效率和信噪比两个技术指标。设计结果表明：该混合算法收敛速度快，设计效费比优，仅需少量的迭代次数就能达到高衍射效率和高信噪比的要求。用该混合算法设计的衍射光学元件，能极大地改善整形效果，在均匀性要求较高的场合有广泛的应用前景。

提出了一种光刻胶厚度测量方法，即双光谱法。采用AZ4620 正型光刻胶甩胶于平面玻璃基片，以椭偏仪测量的结果为基准。通过双光谱法的测量，检测经过基片的出射光相对入射光强度的变化，达到测量胶厚的目的，结果偏差在2%以内。与传统的膜厚检测方法相比，有计算方法简便，可操作性强等优点。针对光刻胶有曝光的特性，双光谱法更适合于胶厚检测。

目前主要影响体三维成像质量的因素之一是死区，为此，基于体三维静态成像机理，针对国内现有体三维静态成像系统中存在的各种死区问题，如视觉死区、体素重叠死区、体素变形死区等，分析了各种死区成因，并相应给出了一些削弱死区影响的解决措施，如采用一体化背面投影光路结构设计、旋转螺旋屏成像的方式等，以便获得高清晰图像。最后在研究结果的理论支持下，构建了一种体三维显示系统。实验结果表明，该系统可以很好的削弱死区影响，获得高质量成像效果。

在光电成像系统中，振动影响系统的成像质量，其中角位移尤为严重。为了减小振动对系统成像质量的影响，应用空间机构学原理和减振理论设计由基座平台、运动平台、空间连杆机构和减振元件组成的减振机构。在减振机构中，利用矢量法和坐标变换对空间连杆机构进行数学建模，推导出减振机构的运动学模型。在运动学模型的基础上，对减振机构的两种模型进行仿真、分析其运动特性，结果表明该机构可以有效的隔离振动、抑制角位移，对系统成像质量的提高具有重要的意义。

在小波分解的基础上，将小波系数绝对值与局部能量二个激活度量相结合，提出了一种新的小波图像融合算法。根据二幅源图像在同一分解层及同一方向上相同位置的小波系数绝对值之间和局部能量之间出现的4 种不同组态，采取选择和加权平均方法确定融合图像的小波系数。实验结果表明新算法具有较好的融合效果。

为了提高图像空间分辨力，提出一种基于像素灰度值独立方程重构高分辨力图像的技术。采用机械微扫描法获取序列低分辨力图像，分析半像素错位的序列低分辨力图像与高分辨力图像各像素灰度值的对应关系，建立了高分辨力图像的像素灰度值独立方程，并利用像素灰度值独立方程重构高分辨力图像。仿真结果表明，相比于反演解析法，基于像素灰度值独立方程的重构算法把重构时间从秒级提高到毫秒级，为重建高分辨力视频信号奠定了基础。

点扩展函数的参数辨识对于图像复原具有非常重要的意义。运动模糊和散焦模糊是常见的两种图像模糊类型。针对这两种模糊以及成像过程往往存在噪声的情况，提出了一种基于双谱的点扩展函数参数辨识的方法。介绍了这两种模糊类型及其传统的计算公式。推导了两种模糊类型的双谱，理论上双谱不仅不受噪声的影响，并且具有与模糊函数相似的结构，由此利用传统的模糊参数计算公式就可以计算出模糊参数。实验结果表明，本方法适用于含有噪声的一定模糊参数范围内的散焦模糊和运动模糊图像，即在模糊参数不太大的情况下，本方法可以取得更准确的结果。在信噪比为25 dB 的情况下，辨别出该范围内的模糊尺度的偏差不超过1 个像素。

针对传统的图像畸变校正算法建模复杂、实时性差且图像信息易丢失等缺点，提出了一种基于四边形分片逼近控制点的图像畸变校正算法。该方法以标准点阵图像作为量测目标，将数学形态学和滑动邻域操作相结合以确定畸变图像像素点质心，采用基于四边形分片逼近的方法来拟合高次多项式校正模型，运用两步一维线性灰度级插值向后映射算法确定输出图像中像素点的灰度。将该算法在TMS320DM6437 DSP 上实现，实验结果表明，校正一幅像素为768×494 的图像所用的时间为0.036 s，畸变校正的误差在0.31 个像素以内，有效地避免了边缘信息丢失、空洞及灰度失真现象。

为实现小口径干涉仪完成较大口径光学平面镜片的测试，得到镜片的完整面形信息，提出了基于标记点的平面Givens 变换，实现了子孔径的精确定位。采用Zernike 多项式拟合对每个子孔径数据进行了消倾斜量的处理。建立了全局优化拼接数学模型。利用该模型进行了九孔径拼接计算机仿真实验，利用该方法得到的PV 值和RMS值的相对误差均在10-6 左右。对直径为150 mm 的镜片进行九孔径拼接检测实验，对比全口径干涉检测结果，PV值和RMS 值的相对误差为0.36%和2.27%。仿真和实验结果证明：该方法稳定可靠，降低了传统的子孔径拼接干涉检测方法中对导轨的高精度要求。

针对在大型桥梁结构状态监测系统工程实践中，光电挠度测量系统采集的数据中存在的较多单点失真数据无法使用传统的信号处理与数据分析方法过滤的问题，本文在连通管式光电挠度测量系统原理基础上，深入分析了系统中单点失真数据的特点，对单点失真数据进行形式化描述和说明，从而提出了一种基于数据速率变化来过滤单点失真数据的滤波方法。该方法根据桥梁结构变化缓慢的特点，将传感器系统引起的失真数据和桥梁结构自身的失效数据区分开来，并取得较好的工程实践应用效果。

针对工程测量中对十字激光图像交点和倾角检测精度要求较高特点，提出了一种十字激光图像亚像素屋脊边缘检测方法。在十字亮条有用区域内，首先利用局域亮度极大方法检测亮条像素级屋脊边缘点；然后提取像素级边缘点水平或垂直方向上一定范围内的像素点亮度进行抛物线拟合，计算亚像素边缘点坐标；最后利用最小二乘法拟合出两条直线，计算十字交点及横亮线倾角。对距离光源4.5 m 处连续拍摄的50 幅图像(图像分辨率为640pixels×480 pixels，光靶分辨率为0.082 7 mm/pixel)进行了处理，十字交点x 方向标准差为0.013 4 mm，y 方向标准差为0.015 8 mm，横亮条水平方向倾角标准差为1.950′，精度明显优于像素级边缘点。该方法应用于导轨直线度和扭曲度检测仪中，取得了很好的效果。

基于数字相位载波调制(DPGC)原理，建立了激光干涉振动测量系统及其信号解调的软硬件处理平台，以24 位数字信号采集卡配合64 位PC 处理器作为硬件电路的核心，实现了参考波形的发生与待测信号的实时采集，利用LabVIEW 软件平台构建了DPGC 算法，实现了振动信号的实时解调。实验结果表明，基于PC 平台的DPGC信号解调方法，降低了传统的模拟PGC 技术中模拟乘法器和微分器等硬件电路的漂移和噪声，提高了信号解调精度，改善了系统信噪比，实现了对频率范围10~200 Hz 低频振动信号的高精度测量，其分辨力达到0.14 nm，动态范围达到120 dB。