为了实现地球静止轨道高分辨率光学遥感，研究了在运载的动力学环境上与低轨的差异。分析了主动飞行段时间长、力学环境差、在成像方法上采用面阵成像、轨道高等原因使相机体积增大的问题。对静止轨道 21.5 m分辨率模拟相机进行了研究，开展了动力学模拟试验，得到了相机关键部位的测试参数，证明了地球静止轨道高分辨率光学遥感的核心环节即有效载荷研制的可行性。

针对图像融合中参数优化的问题，提出了一种基于多目标粒子群优化算法的多传感器图像融合方法。首先采用非采样 Contourlet变换(NSCT)对源图像进行多尺度、多方向分解；然后选取图像融合的客观评价指标为优化目标函数，采用多目标粒子群优化算法对低频系数的融合参数进行优化，带通方向子带系数采用取绝对值最大的融合规则；最后通过 NSCT逆变换得到融合图像。分别对多聚焦图像融合和红外与可见光图像进行融合实验，并对融合图像进行主客观评价，实验结果表明，得到的融合图像具有较好的主观视觉效果和客观评价指标。

为了能对多运动平台条件下的红外信息处理算法进行验证与评估，进行了多运动平台红外场景仿真的研究与实现。首先，回顾了现有的红外场景仿真方法，指出其主要针对单平台条件设计。接着，分析了目标模型，提出了目标辐射模型和目标群运动模型。然后，在分析多运动平台红外信息处理算法特点基础上，提出了基于虚拟观测平台的成像观测模型，并据此得到了多运动平台红外场景仿真的基本流程。最后，对提出的场景产生方法进行了仿真验证。仿真结果表明：提出的多运动平台红外场景仿真方法，能够满足多运动平台协同条件下的红外信息处理算法的验证与评估的需求。

由于需要对大面阵航空 CCD相机带来的庞大航测图像数据进行压缩，在研究多种图像压缩算法的基础上提出了一种基于比特位平面编码的码率预分配图像压缩算法 (RPCA)。首先将图像进行多级整数小波变换，以去除图像像素之间相关冗余。根据率失真理论并结合各个子带对图像重建质量的重要性原则，编码前事先确定每个子带在总码率一定的情况下各个子带在实际编码中应当分配的码率大小，再利用自适应 MQ算术编码对每个子带比特平面进行熵编码，从而得到细致的嵌入式码流。实验仿真结果表明，该 RPCA码率分配精准，图像压缩质量与 JPEG2000标准相当，且支持无损到有损的任意倍率图像压缩，但复杂度低于 JPEG2000标准，适合于硬件的高速实现。

ⅹ稀疏表示法在单幅图像超分辨率重建问题中受到广泛的关注。本文介绍了一种使用稀疏表示进行超分辨率图像重建的方案。该方案首先由低分辨率的输入图像块求取稀疏表示系数，然后根据此系数生成对应的高分辨率图像块，最后由高分辨率块重建出整幅图像。在求取稀疏表示系数时，本文采用了一种借助预处理共轭梯度算法计算搜索方向的内点方法。仿真结果表明，本方案在视觉感受和客观量化两方面都比现有的双三次插值法和最小角度回归(LARS)法具有更好的性能。与双三次插值法和LARS 法相比，本方法所得图像的均方根误差(RMSE)值通常可以分别改善0.29 和0.7。

突堤作为港口停靠船只的场所，其定位对港口目标的检测有重要意义。本文提出了一种基于突堤的分布特征的港口检测算法。首先在图像预处理的基础上，利用改进型种子点生长算法实现图像的二值水陆分割，在借助边界追踪法得到的岸线上，提取基于岸线斜率的突堤特征点，最后利用先验知识中突堤的分布特征进行特征点判断，通过突堤特征点的连接实现港口检测。新方法与已有的检测方法相比，具有定位准确的特点。

为了减小控制系统中由 PWM逆变器死区效应引起的电流波形失真，在分析了死区效应产生的机理及谐波影响基础上，提出了一种死区在线补偿的新方法。该方法结合两相静止坐标系下误差电压的线性特点，估计出误差电压幅值，再在两相同步坐标系下利用误差电压幅值和转子角度的关系对死区效应进行前馈补偿，补偿方法考虑了逆变器的非线性误差，无需额外硬件电路支持或离线测量，避免了电流极性检测，能够摆脱误差电压突变带来补偿不利的缺陷，简单且易于实现。仿真及实验结果表明，该方法能够有效地抑制高次谐波电流分量，改善电流波形质量。

为了提高 CCD相机的成像质量，对 CCD的噪声进行了分类和分析，设计了高信噪比的视频处理电路。讨论了针对复位噪声和 1/f噪声进行处理的相关双采样电路的原理。以专用视频处理芯片 VSP2270和 FPGA为核心设计了视频处理电路。最后结合 CCD驱动电路，进行了图像采集和信噪比测试实验。实验结果表明，视频处理电路在本身引入噪声较小的同时，有效地抑制了 CCD复位噪声、 1/f噪声等噪声。数据输出率为 20 MHz时，整机系统信噪比高达 58.4 dB。基本满足星图成像的应用要求。

随着遥感图像分辨率需求的不断提高以及遥感卫星朝着小型化方向发展，超分辨率技术越来越受到重视。频谱编码超分辨率技术是近年来出现的新的超分辨率方法。它较传统的超分辨率方法而言，结构简单，且能实现较高的超分辨率倍数。频谱编码板是频谱编码超分辨率技术的关键部件。根据傅里叶光学理论展开分析，对频谱编码板进行了简单的设计，并对一维和二维频谱编码超分辨率方法进行仿真。根据仿真结果对影响因素进行了分析，并简要的提出了解决方案。

为了减小偏流角对空间光学相机成像质量的影响，分析了偏流角对空间光学相机成像质量的影响，对偏流角产生的原因及其像移补偿原理进行了研究。根据某空间光学相机的特点，采用在相机上设计调偏流机构的方法进行偏流角的补偿。通过几种常用的调偏流机构的比较，确定了采用双向丝杆螺母驱动的调偏流方案实现焦平面偏流角的调整。对调偏流机构进行了有限元分析，分析结果表明调偏流机构具有较高的刚度和动态强度。对调偏流机构进行了振动试验，并在试验前后进行调偏流机构精度的闭环检测，检测结果表明调偏流机构精度优于 1′，调偏流机构偏流角调整范围为 +5°~ -5°，满足设计要求，实现了高精度的偏流角补偿。该调偏流机构具有强度高、刚度高、结构紧凑、稳定性好等优点。

飞机姿态变化是影响航空相机成像质量的关键因素，尤其是飞机进行大坡度转弯将影响航空相机照相分辨率和重叠率。采用公式推理、坐标旋转变换等方法详细分析了飞机大坡度转弯对相机照相分辨率和重叠率的影响，并以摆扫型全景相机为例，给出了飞机大坡度转弯时相机的像移模型，分析结果表明：飞机大坡度转弯过程中相机产生的最大前向像移量接近 4个像素，需要进行像移补偿；而垂直飞行方向上的最大像移量小于 1/8像元，对成像分辨率影响不大。依据分析结果对像移模型进行了简化，为像移补偿提供了理论依据。针对飞机大坡度转弯对照相重叠率的影响，提出了依据转弯半径和转弯角速率调整曝光时间的方法加以解决。上述分析为摆扫相机在大坡度转弯时获取高质量图像提供了理论依据。

为了实现自适应光学系统性能的在线实时评估，提出并设计了一种基于 FPGA和 DSP的嵌入式处理平台。该嵌入式处理平台以 FPGA作为协处理器，实现前端的高速数据缓存，以 DSP作为主处理器，实现后端复杂的信号处理；根据哈特曼波前传感器探测的残余斜率，在线实时计算自适应光学系统的点扩散函数、斯特列尔比、半高全宽和调制传递函数。结果表明，系统点扩散函数计算误差为 10-11量级，斯特列尔比的计算误差为 10-3量级，半高全宽的计算误差为 10-4倍衍射极限，调制传递函数计算误差为 10-4量级。该嵌入式处理平台具有运算精度高，结构简单，便于系统集成，通用性强等优点。

目前弹载惯性测量组合测试标定精度受外界干扰影响较大，特别是光纤陀螺温度稳定性低，易受环境温度影响参数变化，导致误差补偿效果不好。针对该问题，提出设计一种光纤陀螺旋转惯性测量组合。在惯性测量组合外加旋转轴，在导弹飞行过程中使惯性测量组合绕旋转轴连续旋转，将射前补偿不完全误差调制为周期项，从而达到误差自补偿的效果。理论分析和仿真结果表明，通过旋转不仅能自动补偿与转轴垂直方向惯性仪表的常值误差和部分安装误差，而且能补偿加速度计部分一次项误差、二次项误差和部分交叉轴耦合项误差，选择合适的旋转方案还可以完全消除旋转速度与陀螺仪标度因数误差、安转误差的耦合误差。

针对现有太赫兹辐射源在输出频率可调性及输出功率方面的局限性。本文从非线性介质的 Maxwell方程入手对非线性聚合物的光学性质进行理论分析，建立硅波导配置的数学模型。利用硅材料的高折射率，设计了硅太赫兹波导。分析了太赫兹波导模式图，讨论了硅太赫兹波导模式的有效折射率、波导损耗、连续波输出功率与输出频率的关系，实验结果表明：硅太赫兹波导产生的太赫兹波连续可调，输出太赫兹波频率范围宽至 0.1 THz到 15 THz，输出功率可达到微瓦级。

研制了一种新型双光纤光栅加速度传感器，并对该传感器的工作原理和基本特性进行了理论分析，实测表明，这种新型双光纤光栅加速度传感器可在 5～2 000 Hz频率范围内获得稳定的振动信号。这不仅解决了传统悬臂梁 FBG加速度传感器难以实现高频振动测量的问题，而且具有温度自补偿、谐振频率高、使用方便等优点，在高频测量中具有广阔的应用前景。

在光纤光栅传感器测量缆索索力的应用中，为了保证传感器的存活率以及解决超量程测量的问题，设计了一种桥梁缆索锚固区植入式光纤光栅应变传感器。通过对桥梁缆索特性分析，对该传感器的封装结构、封装材料的弹性模量提出设计要求，并选择环氧树脂添加微细硅粉作为传感器封装层材料。利用拉力试验机对植入式应变传感器进行力学传感器性能实验，其线性度 R2为 0.999 74，灵敏度为 2.74 pm/N，重复性好。把植入式传感器植入缆索锚固区，进行缆索张力实验。实验数据具有良好的线性度和重复性。

地物光谱特性是遥感应用的基础。本文以渭干河－库车河三角洲绿洲为研究区，首先选取裸土、植被两类地物作为研究对象，通过 TM传感器的光谱响应函数，实现了将野外实测端元光谱拟合为多光谱离散光谱。其次在对 TM图像的光谱波段进行细分的基础上，利用光谱知识库的数据支持来模拟获取具有更高光谱分辨率的细分光谱光学遥感图像，深入开展两种尺度相互转换的研究。结果表明：一、拟和的多光谱与 TM像元光谱具有很好的相关性，在此基础上，采用线性算法建立端元光谱与遥感图像像元光谱的转换模型，实现了从实测端元光谱尺度向遥感多光谱像元尺度的定量光谱转换，为遥感定量分析奠定了一定基础。二、细分光谱模拟图像的方法能够较为可靠的模拟出真实高光谱分辨率图像的信息，模拟方法可信，达到了推广和验证的效果。

精确测量和确定同步卫星轨道是实现高精度导航、定位等应用的基础，光学测角定轨和卫星通信信号测时差定轨是两种最重要的无源测轨方法，各有优缺点。本文提出将光学测角与无线电通信信号测时差相结合，可实现对卫星的单次测量定位，多次测量提高定轨精度。推导得到卫星到光学站的距离表达式，实现对卫星位置的解析求解。通过 GDOP方法，分析了光学站与无线电站的不同布站方式对定位精度的影响，据此提出了优化布站方式。通过计算机 Monte-Carlo仿真，比较分析了联合测轨方法与单一光学测轨方法的测轨精度。仿真结果表明：若无系统误差时， 24小时观测数据统计定轨位置误差为 25 m，预报 1周位置误差为 200 m，约为单一光学方法的 2/3；当存在系统误差时，需采用自校准方法估计系统误差，基于 24小时观测数据的单一光学方法未能实现自校准定轨，而联合测轨方法定轨精度可达到约 6 m，归一化系统误差估计精度优于 0.1，预报 1周的位置误差约为 140 m。

去除冗余信息，进行特征提取是当前高光谱数据处理的一个重要课题。本文根据波段选择的基本准则，结合离散系数和相关系数对高光谱影像空间维和光谱维的可分性及相关性进行分析，提出了基于矩阵模式的高光谱波段选择方法 -BSMM，并且定义了一个矩阵因子。在计算空间信息量时比较了标准差和离散系数的量化结果，除此之外，采用区间映射有效地消除了离散系数和相关系数变换区间不一致的情况。最后利用 AVIRIS高光谱数据，通过与最佳指数因子的比较验证了该方法的有效性。

本文介绍了一种新型光声光谱检测方法 —差分模式激发光声光谱法，该方法通过计算同一光声池内两种不同声共振模式下光声信号强度的比值，间接测得被测气体浓度值。结合适当的滤光片，可实现对不同气体的测量。本文以高效数据处理芯片 DSP作为核心处理单元，简化了系统结构，提高了响应速度，便于修改程序，改进检测算法。实验结果表明，在压力为 98 000 Pa温度为 295 K的条件下，对丙酮蒸气的检测极限度可达 23 ppm·m-1。

本文将自动聚焦方法应用于激光诱导击穿光谱 (LIBS)检测技术中，利用自动聚焦方法控制激光在样品表面的聚焦位置和焦斑大小，以克服激光诱导击穿光谱系统检测样品时光谱强度的起伏变化较大的缺点，提高 LIBS系统重复测量的精密度。并采用灰度差分法评价函数和改进后的爬山法成功实现了激光诱导击穿光谱技术检测中焦点位置的自动搜寻和调节，为 LIBS检测仪开发了一套自动聚焦系统和相应的软硬件，较好地减小了 LIBS光谱强度多次重复测量的相对标准偏差。

具有特定视场的动态可见光目标模拟器是可见光成像系统测试与评估的关键设备，该模拟器的准直投影光学系统决定了基于数字微镜阵列 (DMD)的动态景象投射器的性能。根据成像系统测试与评估需求，本文对可见光准直投影光学系统进行设计。基于对投影光学系统的参数计算，设计了视场 58°的大视场可见光目标模拟器光学系统。将设计结果与成像光学系统进行匹配仿真，获得了良好的配合效果。通过对所研制的系统进行测试，实验结果表明所设计的光学系统完全满足模拟器的要求和对动态场景的仿真需求。

二维 SMS(多表面同时设计法 )设计能实现旋转对称的照明目标，但不能实现像矩形光斑配光要求的非旋转对称的照明目标，为此介绍了一种优化 LED照明的自由曲面透镜三维 SMS设计方法。通过研究三维 SMS方法的设计过程，详细分析了三维初始曲线的选取对于设计效果的影响：可以通过初始曲线的选取来使整个系统具有不同的性质，实现不同的设计要求。通过一个实例设计对三维 SMS方法进行说明，并且通过改变种子肋的选取来得到所需要的矩形照明光斑。结果表明：三维 SMS设计方法在实际 LED照明设计中光线的控制能力强，透镜结构紧凑、效率高，可实现特殊要求的非旋转对称照明目标。

电荷交换复合谱 (CXRS)是一项先进的测量托卡马克等离子体温度及空间分布的方法。针对我国 HL-2A托卡马克装置上 CXRS光谱采集系统对宽光谱范围 (470～660 nm)、大视场 (535.34 mm)、宽光束 (直径 110 mm)、高空间分辨(14道)以及与后续导光光纤数值孔径 (0.22)匹配等要求，应用 ZEMAX光学设计软件优化设计了一片反射镜与四片透镜组合的光学系统，并通过将像面倾斜的方法进一步减小了像差。模拟计算表明像面最大弥散斑 RMS半径为 88.14 μm，像方数值孔径 0.217，很好地满足了使用需要。