通信领域对带宽越来越大的需求正推动着传统无线通信技术的发展。虽然光通信系统和光网络能为人们提供极大的带宽,但这也意味着必须能开发出来新的设备和系统。半导体发光二极管(LED)被认为是未来在建筑、汽车和飞行器上的主要光源。相比于白光光源和荧光光源,LED能提供更高的能量效率,且由于其出色的节能性能,LED在目前全球性的二氧化碳减排行动中也扮演着重要的角色。另外,激光器目前也处在于LED类似的情形中。这些核心器件的出现很可能会大大改变我们对光的使用,不仅是在照明方面,还包括通信、传感、导航、定位、监控和成像等各个方面。

针对脉冲激光测距机工作环境温度变化和不同测距目标的需要，设计了一种具有温度补偿功能的雪崩光电二极管(APD)数控偏压电路，并对电路系统进行了理论分析和试验验证。结果表明，电路系统输出电压不仅可以有效地减少环境温度对APD增益的影响，而且能够根据上位机指令调节偏压大小，保证APD处于最佳工作状态，使测距机性能得到优化。

针对采用盖革模式雪崩光电二极管(Gm-APD)作为探测器的成像激光雷达,介绍了其测距原理及3D成像原理,并对如何提高其探测性能的方法进行了分析。以分析Gm-APD触发信号的统计特性为基础,对出现在距离门内不同位置目标的探测概率和虚警概率进行了研究与仿真,结果表明,目标处在距离门最前面时,探测概率受噪声水平影响最小,虚警概率受信号强度影响最大;目标靠近距离门中间位置时,探测概率随噪声水平增大下降缓慢,虚警概率随信号强度增大下降缓慢;目标处在距离门末尾时探测概率受噪声水平影响最大,而虚警概率几乎与回波信号强度无关。

为了得到理想的光纤切割断面,利用飞秒激光对石英光纤材料进行切割微加工实验。研究激光功率、脉冲频率、扫描速度等加工参数与光纤切割断面质量间的关系,以寻求最理想的加工参数。最后在可调倾角光纤夹具的辅助下,很好地弥补加工过程中产生的端面倾斜角,得到垂直度高达89.56°的光纤切割断面。

巡航导弹作为一种远程精确制导的高技术**装备,已成为以“非接触精确打击”为主要特点的新作战思想的重要支柱,在高技术局部战争和**冲突中发挥了重要的威慑和杀伤作用。如何打击敌方巡航导弹成为现代战争中急需要解决的问题。高能激光以其独特的优势,成为对抗巡航导弹的理想**。为有效评估高能激光打击巡航导弹的能力,采用改进的ADC效能评估法,建立了高能激光打击巡航导弹能力模型,并对其进行分析,重点对光束的毁伤能力进行了仿真,给出了影响光束打击巡航导弹能力与各因素的具体关系。

设计了一种阵列波导光栅解调集成系统中的8通道Si纳米线阵列波导光栅波分复用器。根据材料的折射率设计了单模波导截面尺寸,利用光束传播法对所设计阵列波导光栅进行了模拟。结果表明,器件尺寸为200 μm×219 μm,远小于目前技术较成熟的硅基SiO2的尺寸,光功率分布符合高斯分布,信道间隔为1.8 nm,串扰小于-21 dB。对小尺寸AWG的设计具有参考意义。

针对光纤陀螺信号处理要求实时性高、算法较为复杂的特点,提出了一种以Xilinx公司的现场可编程门阵列XC6SLX16为基础的闭环光纤陀螺信号处理方案。根据光纤陀螺高精度和匹配性要求,对闭环信号处理系统关键的模数转换器和数模转换器的选择进行了理论分析,并对系统的硬件和软件进行了设计。对试验样机的测试结果表明,该系统能准确快速地实现光纤陀螺信号检测,体积小、功耗低、可靠性高,对光纤陀螺的工程化具有实际的参考意义。

为研究光纤法珀传感器中法珀腔结构参数对其条纹对比度的影响，基于光传输矩阵方法，建立了描述非本征型光纤法珀干涉结构中光束传播特性的理论模型。以基于化学腐蚀渐变多模折射率光纤方法制作而成的光纤法珀传感器为例，进行了数值模拟。由模拟结果可以得出，腔长为40 μm、曲率半径在85~115 μm范围内可以获得较高的条纹对比度。其结果表明，通过优化法珀腔的腔长和形状可以改善光纤法珀传感器反射光谱的条纹对比度。

级联长周期光纤光栅作为长周期光纤光栅的一个特殊形式,具有许多特殊性质。本文研究了级联长周期光纤光栅理论以及其光谱随级联光纤长度和光栅强度变化的特性,并与实验结果进行了比较,为级联长周期光纤光栅传感和设计级联长周期光纤光栅器件提供了依据。

基于法拉第效应的Sagnac干涉仪型光学电流互感器可精确测量电流，因此受到广泛关注。延迟线在典型的串联型电流互感器结构中起到不可或缺的作用,其长度变化会影响系统输出，从而有可能使解调出的法拉第相移引入误差。通过对琼斯矩阵得出的理想系统输出进行理论分析与数值仿真实验，研究了延迟线长度变化对尺度因子的影响。研究结果表明，在一定条件下，延迟线长度失匹配会使尺度因子误差超过0.2%，而温度变化导致的延迟线光程变化产生的尺度因子误差不够明显。因此，建议在采用典型的串联型Sagnac结构及该解调方案时，延迟线长度最好与调制圆频率相匹配，如有特殊需求，实际长度与匹配长度的偏差不要超过50 m,或者将所有器件整合在一起,采用专用线传输。

天文导航可全面地提供位置、航向、姿态和速度等核心导航信息，特别是在复杂电磁环境下，发挥着独特的重要作用。测星能力是天文导航设备的核心指标之一，提出了光电通道测星的信噪比和调制度的计算公式和参数选取说明，给出了短波红外测星设备的计算实例和实测结果，结果表明短波红外测星可显著延长测星时段。

利用FA-3型Anderson撞击式气溶胶粒度分布采样器采集大气中的可吸入颗粒物。在实验室使用光学测量系统对粒径低于PM2.5的气溶胶颗粒物进行透过率测量。结果表明，透过率随气溶胶粒子粒径的增大具有逐渐增加的趋势。粒径低于PM2.5的气溶胶颗粒与PM10粒径范围内的透过率相比，具有明显的波长选择性。

结构光投影和条纹时间平均分析技术已被用于振动模式分析中,但由于投影单色正弦条纹时振动薄膜变形条纹傅里叶谱中零频涵盖范围较大,会限制滤波窗的选取范围,从而影响模式的最终重建结果。为提高振动模式重建的准确性,提出了一种利用π相移正弦条纹投影进行薄膜振动模式分析和振幅重建的方法,通过处理两个通道的条纹分量达到消除零频的目的。给出了该方法的理论分析,完成了相应的计算机模拟,分析了影响测量精度的因素。通过与投影单色正弦条纹的振动模式重建结果对比,表明该方法有较高的重建精度。不同激励频率下的实际薄膜振动实验结果也证明了该方法正确可行。

油井含水率是油田开发过程中的一个重要指标。光纤传感器具有体积小、重量轻、抗干扰能力强、实时、高效、准确等优点,将其应用于石油测井,有利于提高勘探效率。介绍测井应用中原油含水率计量仪的结构,分析了光纤传感器对混合液体含水率测量的基本原理。激光在弯曲光纤中的传输效率随外界混合介质折射率的变化而改变,根据光纤输出光功率的大小可以测量外界混合介质的组成成分。通过数值模拟,给出了光纤传感器中光束强度随混合液体含水率的变化现象,计算得到混合液体中含水率测量结果。结果表明,光纤传感器计量仪能实现0%~100%含水量的连续测量。最后基于数值模拟结果讨论了系统设计中的注意事项。

空间相机的MTF是描述成像系统的空间频率响应特性的重要指标之一。在介绍刃边法计算空间相机MTF原理的基础上,描述了刃边法的计算过程,结合天绘一号卫星在轨传感器MTF检测,对高分辨率相机的MTF进行了计算。结果表明,刃边法检测卫星相机MTF的方法可行,能够获得较好的评价结果。

对检出的大量样本细胞图像进行统计分析，发现白细胞在Wright染色后着色效果不一致时色彩分量差异的规律。通过建立数学表达模型，提出了一种基于H直方图变换的白细胞图像自动分割算法。对细胞图像的色度分量直方图进行适当变换，有效削弱了血液染色的不一致性对白细胞分割的影响，实现了白细胞胞浆区域的良好分割，实验结果验证了所提分割方法的可行性和实用性。

与可见光图像相比，红外图像的分辨率较低，景物边缘较为粗糙，传统的自动调焦技术无法直接用于红外热成像系统。为了解决这一问题，采用基于红外图像边缘特性的自动对焦算法，建立快速有效的对焦评价函数，驱动高精度光机闭环控制单元，以实现快速、准确的红外自动对焦。系统包含数字处理单元和运动控制单元。其中数字图像处理单元主要进行红外数字图像的采集，利用Roberts梯度算子提取红外图像中的信息量，并统计边缘点数以评价图像的清晰度，实时计算序列红外图像中细节和信息量的变化量和趋势，从而提供运动控制单元所需的位置给定。运动控制单元则主要进行调焦电机的控制及驱动，完成自动聚焦的过程控制。最后，通过实验证明了该方案的有效性。

为简化高功率激光器谐振腔结构,提高激光谐振腔的稳定性,增加基模体积,改善光束质量,提出了两种新型激光谐振腔结构,分别是带角隅反射镜的激光谐振腔和直角内圆锥面反射镜激光谐振腔。使用高功率脉冲CO2激光器,研究了这两种激光谐振腔的输出特性和腔镜失调的关系,并结合平凹稳定腔,对三种激光谐振腔的抗失调稳定性进行了对比。实验结果表明,随着全反镜或平面输出镜失调角的增加,角隅腔激光器的单脉冲输出能量下降速度小于直角内圆锥面全反镜腔。两种新型谐振腔全反镜的抗失调稳定性都超过平面输出镜。角隅全反镜谐振腔和直角内圆锥面全反镜谐振腔的抗失调稳定性均大大超过平凹稳定腔。

针对复杂环境下的海面目标提取问题，提出一种基于偏微分方程(PDE)的红外舰船检测算法。首先采用基于PDE理论的滤波模型对初始图像滤噪并进行背景估计，然后结合邻域差分进行背景抑制后分割提取目标。实验表明，该算法能够有效检测强杂波背景中的目标，方法适应性强。

红外光学系统决定着红外系统的工作模式与工作精度，影响系统的作用距离，是红外系统的重要组成部分。多视场光学系统可以用不同的视场对同一目标进行搜索、识别、跟踪与瞄准，在**应用领域获得了广泛的应用。光学系统的结构形式影响红外系统的成像质量、性能指标、外形尺寸、价格成本、机电复杂程度等，因此研究和选取合适的多视场光学系统结构形式显得非常重要。对目前国内外应用于凝视焦平面探测器的多视场红外光学系统结构形式，如切换变焦、光学补偿变焦、机械补偿变焦、混合变焦、双光路变焦等进行了特点分析，比较了其优点与局限性，对光学设计人员合理选用多视场光学系统结构形式具有一定的理论指导作用和意义。

采用多层衍射元件是实现宽波段高衍射效率的有效方法，设计了一个含双层衍射元件-30 ℃~70 ℃消热差系统。通过合理选择衍射面的基底材料，优化衍射表面的浮雕深度，设计出红外宽波段高衍射效率的消热差光学系统。设计结果表明，在整个设计温度范围内，该光学系统成像质量良好，光学传递函数在16 lp/mm时均在0.6以上。

光谱仪器是对物质结构和成分进行分析处理的基本设备。介绍了一种小型对称式Czerny-Turner型光纤光谱仪的结构设计方案,该方案结构紧凑、无活动机构、装调简单、使用方便。给出了光谱仪的光学性能测试结果,工作光谱范围、光谱分辨率、波长位置等指标均满足设计要求。整机地面试验和环境试验测试结果表明,该光纤光谱仪性能稳定可靠,很好地满足了设计要求。