基于三维集成成像理论以及相机阵列和显示透镜阵列之间的对应关系，利用几何成像理论和光线追踪方法对不匹配全光学集成成像记录系统进行了理论分析，得到了主要记录参数(记录距离和相机间隔)和集成成像显示特性之间的关系。提出了一种非匹配系统中相机阵列记录系统参数的设计方法，并设计了相机阵列记录系统。计算得到了系统的关键参数为记录距离49.6 cm，相机间隔25 mm。对提出的方法进行了实验验证，结果表明，提出的相机阵列光学记录系统能够完整记录场景的三维信息，三维显示特性基本达到了设计指标，相机阵列的主要记录参数与集成成像三维显示特性的关系符合理论分析，验证了提出方法及系统设计的可行性。 提出的系统可为不匹配全光学集成成像系统显示提供大场景、高分辨率微图像阵列。

从硅光电倍增管(SiPM)单个微元的微等离子体电子行为模型出发，分析了SiPM的电子特性， 提出了SiPM前端电子学最优设计方案。阐述了SiPM的工作机理，给出了SiPM的电子行为模型，分析了SiPM应用于水下三维测深的优势。根据水下测深信号的回波特性，设计了高速、高带宽的前置放大器，并对前置放大器进行了交流分析和瞬态分析。 结果表明， 该前置放大电路在带宽内具有很高的增益平坦度，相位裕度大于60°， 基本保证了信号的完整性，同时保持了激光脉冲的波形。分析和测试结果表明，该探测器和电路设计方案完全能够满足水下三维测深的需要。

研究了用双摆动技术抛光离轴非球面的工艺。介绍了用双摆动抛光加工离轴非球面的原理，分析了双摆动抛光过程中抛光盘与工件的相对运动特性及各个工艺参数对相对运动路径的影响。建立了双摆动抛光运动的数学模型，进行了计算机仿真，并对不同参数下的仿真结果进行了比较。给出了抛光模形状模型，实验验证了不同形状抛光模的材料去除特性。应用双摆动技术加工了一个224 mm×108 mm离轴碳化硅反射镜,结果显示：应用该技术加工离轴非球面镜可以有效抑制光学表面中频误差，具有较高的材料去除效率，面形精度可以稳定达到λ/30(rms, @633 nm)。因此，双摆动抛光技术的研究有助于推动离轴非球面制造技术的发展。

总结了大尺寸衍射光学元件离子束刻蚀技术的研究进展。针对自行研制的KZ-400离子束刻蚀装置，提出了组合石墨束阑结构和多位置分步刻蚀策略来提高离子束刻蚀深度的均匀性，目前在450 mm尺寸内的刻蚀深度均匀性最高可达±1%。建立了针对多层介质膜光栅的衍射强度一维空间分布在线检测系统以及用于透射衍射光学元件离子束刻蚀深度的等厚干涉在线检测系统，实现了对大尺寸衍射光学元件离子束刻蚀终点的定量、科学控制，提高了元件离子束刻蚀工艺的成功率。利用上述技术，成功研制出一系列尺寸的多层介质膜光栅、光束采样光栅、色分离光栅以及同步辐射光栅等多种衍射光学元件。

针对单个808 nm单管半导体激光器输出功率低，采用端面泵浦方式对光纤激光器进行泵浦时受到限制的问题，本文利用空间合束技术制成高亮度半导体激光器光纤耦合模块来提高808 nm单管半导体激光器泵浦掺Nd3+双包层光纤激光器的效率。首先，通过微透镜对每个单管半导体激光器进行快慢轴准直; 然后，使用反射棱镜对每个激光器发出的光进行空间合束; 最后，利用自行设计的扩束系统将合束后的光束进行扩束，聚焦进入光纤，从而极大地提高光纤耦合模块的亮度。实验中将4只连续输出功率为5 W的单管半导体激光器发出的光束耦合进芯径为105 μm、数值孔径(NA)为0.2的光纤，当工作电流为5.8 A时，通过光纤输出的功率为15.22 W，耦合效率达到74%，亮度超过1.4 MW/cm2·sr。

针对分布反馈式(DFB)光纤激光器用于水声探测时频响曲线起伏较大的问题，设计了一种开孔套管式封装结构。通过对DFB激光器的封装，使其张紧后被聚氨酯固定于开孔套筒的中心轴线上，利用开孔套管的保护作用以及施加于光纤激光器两端的拉力来抑制水声探测过程中频响曲线的起伏。基于有限元软件ANSYS对封装结构的动态特性进行了数值仿真计算，然后加工制作了开孔套管结构封装的DFB光纤激光水听器原型样品，并利用振动液柱法进行了测试。试验结果显示，DFB光纤激光水听器在20~800 Hz的声压灵敏度达到-131 dB左右，灵敏度起伏不高于±1.5 dB，表明通过该封装结构的保护及聚氨酯的张紧作用，有效抑制了频响曲线的起伏，改善了DFB光纤激光水听器的水声探测性能。

研究了紫外标准探测器定标方法，以便进一步提高紫外波段辐射定标的精度。构建了高精度紫外标准辐射计，并推导了紫外辐射计响应度标准。在定标过程中直接利用高精度标准辐射计进行标准传递，并根据替代法定标原理消除了多项影响因子，使得定标精度大幅提高。最后，利用标准光源及标准探测器定标方法对待测光源辐照度、空间遥感仪器辐照度响应度进行了标定。两种方法定标结果表明：采用标准探测器定标方法可使定标不确定度降低到1.6%，充分证明了紫外标准探测器定标方法的有效性及高精度，实现了紫外探测器定标方法的工程化应用。

研究了气溶胶粒子的光热敏效应和热感应光致折射率变化， 提出了通过增加光热作用区个数来提高探测灵敏度及用低相干干涉法降低成本的方法。建立了光热低相干干涉法测量大气气溶胶吸收系数的数学模型，分析了干涉仪正交状态测量和干涉条纹细分探测两种方式下的探测灵敏度，讨论了低相干偏振干涉情况下的探测限。结果显示，在典型条纹细分情况下理论探测灵敏度可达1×10-6 m-1; 增加光热作用区m个，探测灵敏度理论值可提高m倍。理论和方法研究证明光热低相干干涉法具有可直接测量大气气溶胶吸收系数、在线原位、低成本，易于进行温度修正等优点。

为控制传统眼底相机的杂光和鬼像，设计了一款40°视场、48 mm工作距离的折反式眼底相机光学系统。设计了离轴反射式网膜物镜，引入了自由曲面以校正其离轴像差，成像物镜中采用两个自由曲面对网膜物镜的剩余像差进行校正。建立了一种离焦眼模型，用于优化成像光路，消除人眼像差对成像的影响，同时得到不同视度缺陷眼的成像光路。照明光路中使用3个相邻的环形光阑，减少了眼球光学系统反射的杂光。成像光学系统可在-10~+10 m-1调焦，物方各视场分辨率为33 lp/mm，系统畸变小于8.5%; 照明光学系统在不产生鬼像的前提下，可均匀照明眼底，照度非均匀性在15%以内。实验表明，引入自由曲面的折反式眼底相机，有效地消除了杂光和鬼像，满足大视场和大工作距离的要求。

针对Φ510 mmSiC超轻量化反射镜的研制，提出了一剖面为船型、内部为正三角形、面板加密呈正六边形的轻量化结构。当设计重量为1.85 kg时，通过调整各个结构参数与另外两种相同重量的轻量化结构进行了比较。结果表明，在同样背部6点支撑作用下，该超轻量化结构在光轴指向天顶时由自重引起的面形(RMS)具有较大优势。利用Patran＼Nastran有限元软件模拟计算了该超轻量化反射镜在光轴水平状态下的自重镜面变形，并对其进行了热力学及动力学特性分析。分析结果显示，该超轻量化反射镜各项指标均能满足使用要求。最终，根据设计结果试制加工了一块镜坯，初步加工后的重量约为2.2 kg，面密度约为10.8 kg/m2，已达到目前SiC超轻量化反射镜的先进水平。

为了高精度采集中阶梯光栅光谱仪的谱图，设计了一种适用于中阶梯光栅光谱仪原理样机的高性能面阵CCD相机。首先，根据中阶梯光栅光谱仪的谱图特点和CCD芯片的特性，设计了面阵CCD相机的时序产生电路、驱动电路及数据采集处理电路，实现了面阵CCD相机的低噪声、高灵敏度以及高动态范围。然后，利用LabVIEW编写了CCD相机测试软件。最后，利用设计的面阵CCD相机对汞灯谱线进行了测试。结果表明：面阵CCD相机获取的二维谱图图像清晰、信噪比较高; 经二维谱图还原后，可以得到标准的汞灯谱线。该相机性能稳定、可靠，满足中阶梯光栅光谱仪原理样机的研制要求。

为了精确测量航天器对接过程中最终逼近段航天器间的滚转角，设计了基于方波磁光调制的滚转角测量系统。利用法拉第磁致旋光效应并结合马吕斯定律，建立了方波磁光调制后输出信号的模型; 通过分析输出信号的特点，推导了输出信号与滚转角之间的关系方程; 利用滚转角变化过程中输出信号的增减性组合去除了方程的增根，最终得到了基于方波磁光调制的滚转角测量模型。仿真结果表明：文中提出的方法理论测量精度高，可测量-90～90°间的滚转角，优于传统方法。此外，利用方波信号调制具有数据采集简单、信号处理难度低等优势，是实现高精度大范围测量航天器间滚转角的一种新方案。

提出基于全相位谱分析的自混合干涉信号处理方法，用于减小激光自混合干涉位移测量的误差。首先，基于三镜法布里-珀罗腔模型介绍了自混合干涉系统的数学模型，分析了自混合干涉信号的产生机理和特性。然后，研究了弱反馈条件下自混合干涉位移测量方法，采用全相位谱分析算法进行相位测量，重构外部反射体位移曲线; 讨论了信号处理算法原理并进行了算法仿真。最后，进行自混合干涉位移测量实验，并给出压电陶瓷位移测量实验结果。结果表明，全相位谱分析算法可将自混合干涉位移测量误差减小到4.4 nm; 应用全相位谱分析算法分析自混合干涉信号，可在不增加外部光学元件的前提下将位移测量误差减小到纳米量级。

介绍了一种基于集成双光栅干涉和CCD图像测量的微梁位移测量方法，并利用相位差约为π/2的一组光栅实现了扩量程位移检测。利用表面牺牲层工艺制作敏感芯片，在玻璃基底上刻蚀深度约为入射激光波长1/8的凹槽，凹槽上下的两组光栅与正上方对应的梁分别构成两组相位敏感集成光栅单元。利用1级衍射光将集成光栅单元成像在CCD靶面上，梁的位移变化通过CCD图像上对应光斑的灰度值变化来反映。实验结果表明，虽然玻璃凹槽腐蚀深度的误差导致光栅之间的相位差偏离π/2，但所制作的集成双光栅结构实现了多周期的扩量程位移检测，通过接近π/2相位差的两个光栅得到的光强信号的错峰使用，避免了干涉法正弦位移检测信号的峰谷不灵敏位置，实验测得微梁的位移变化为650 nm。

为了精确计算离轴三反相机的焦距以保证其测绘精度，对经典测绘模型和相关公式进行了必要的修正。首先，重新定义了离轴三反测绘相机的交会角，并对经典焦距计算公式做了修正; 其次，分析了地球曲率对离轴三反测绘相机焦距计算的影响，进一步修正了焦距计算公式。实例计算表明：当要求地面像元分辨率为2 m，在CCD像元尺寸为8 μm，轨道高度为700 km，离轴角为7°条件下，应用经典计算公式得出的斜视相机焦距与应用修正后的计算公式所得出的斜视相机焦距相对偏差达到2.6%，说明对测绘精度影响很大。因此，在采用离轴三反相机进行摄影测量时，斜视相机焦距的计算应考虑离轴角后对经典公式进行必要的修正，而正视相机的焦距计算可以沿用经典计算公式。

利用ANSYS CFX流体力学分析软件建立了不同油膜厚度下的液体静压轴承流体模型，研究了非球面超精密加工机床液体静压推力轴承的温度场分布。对静压推力轴承进行了试验研究，获得了工作台上不加负载、加300 kg负载、加500 kg负载3种情况下主轴性能各参数。仿真结果表明：油腔区域初始温度为20 ℃，从封油边开始温度逐渐升高，其中外侧的温度要比内侧温度稍高; 当油膜厚度为33 μm时，最高温度为20.29 ℃，当油膜厚度为23 μm时，最高温度为21.72 ℃，油膜厚度越薄，温度越高。试验计算值与仿真值分别相差3.33%、8.33%、1.32%，证实了液体静压推力轴承设计和数值计算的正确性。

针对常规传动方式在径向空间较小情况下难以实现同轴旋转运动的变速功能，提出了一种基于圆柱凸轮的同轴变速传动机构。以变焦距镜头的结构为基础，结合使用两个圆柱凸轮，在主、从动凸轮上开出螺旋线槽，使从动凸轮螺旋线槽导程为主动凸轮螺旋线槽导程的n倍，从而实现速比为n的变速传动。对机构的传动效率和传动精度进行分析，得出主动凸轮螺旋线槽的螺旋升角与传动效率和传动精度的关系及相关规律。在实验室对机构的传动精度进行了测试，结果表明其速比精度在1.6%以内。此机构结构紧凑,能够自锁且精度较高。

为了设计用于光相位调制器平动微镜的无交叠梳齿驱动器，建立了保角变换数学模型，研究了驱动器的驱动特性。从复变函数理论出发，建立了驱动器的保角变换静电场解析模型; 以动齿受力为研究对象，根据不同情形下的动齿受力特点，求解了一定区间内动齿的静电力并与有限元模拟计算结果进行了对比分析。采用微机电系统(MEMS)工艺制作出了无交叠梳齿驱动器，搭建了Michelson干涉仪光学测试系统，测试了无交叠梳齿驱动器的静态驱动特性。实验结果表明，所制作的无交叠梳齿驱动器在28 V偏压下机械位移可达325 nm，相位差为2π; 在90 V的偏压下能够获得2.07 μm静态位移。测试结果与保角变换及有限元模型分析结果一致，验证了所建数学模型的正确性，为无交叠梳齿驱动器的设计提供了理论与实验基础。

在动基座光电稳定平台伺服系统中引入了加速度反馈闭环以提高其动态性能。考虑准确建立动基座光电稳定平台控制对象模型难度很大，该加速度反馈闭环没有基于控制对象模型，而是通过直接测量角加速度信号来实现。仿真、分析结果表明，加速度反馈闭环的引入有效提高了伺服系统动态力矩刚度，并改善了伺服系统起动、制动性能。引入加速度反馈闭环后，动基座光电稳定平台伺服系统对摩擦力矩抑制能力明显提高; 对周期性扰动抑制能力提高了9.3 dB; 对速度阶跃响应超调量降低了4.9%，同时过渡过程也有极大的改善。该伺服系统不仅结构简单，鲁棒性强，且有较好的通用性。

采用离轴菲涅耳数字全息干涉术实现了对电路板表面的连续弯曲形变测量。在电路板两端依次施加0.01 mm至15 mm位移载荷过程中，记录了1 501幅全息图。通过相邻两幅全息图数值重建的复振幅相位分布相减得到干涉相位差，根据相位差与离面位移的关系计算得到照明测量区域的离面位移，通过累加获得了施加1～15 mm位移载荷时电路板表面的弯曲形变测量结果。由5块相同规格电路板上照明测量区域中同一电容中心点的离面位移，计算得到测量结果的A类不确定度不超过0.008 mm，加载夹具引起的测量结果的不确定度为0.003 5 mm，测量结果的合成不确定度不超过0.008 7 mm。实验表明这种利用离轴菲涅耳数字全息干涉术测量物体大位移连续弯曲形变的方法具有良好的重复性和稳定性。

为了减小齿轮磨削加工中的磨床系统分度误差，提高齿轮加工精度，分析了齿轮磨床分度误差、齿轮安装偏心和齿轮齿距偏差之间的关系，获得了分度误差的计算方法，并计算出了齿轮磨床的分度误差。依据计算得到的分度误差值调整磨床，降低磨床分度误差，减小齿轮齿距累积偏差，提高了齿轮加工精度。以Y7125大平面砂轮磨齿机床为例验证了提出方法的可行性。建立了齿轮安装偏心和齿廓偏差的数学模型，求出了齿轮安装偏心的幅值和相位角,然后由齿轮安装偏心、磨床分度误差和齿轮齿距偏差的关系得到磨床的分度误差值。根据计算得到的分度误差值调整磨床分度盘，使磨床的分度误差从17.7 μm减少为3.3 μm，被加工齿轮的齿距累积总偏差由46.9 μm降低到11.5 μm，齿距精度达到三级。验证结果表明，按照这种方法调整磨床可以快速有效地降低磨床的系统分度误差，从而降低齿轮的齿距累积偏差。

针对磁悬浮飞轮锁紧装置用整体碳纤维弹片不便拆卸和一次性锁紧装置不可重复锁紧/解锁的缺点，提出了一种基于分立式弹片释放机构的可重复抱式锁紧装置。介绍了锁紧装置的结构、工作原理和弹片方案，通过将弹片释放机构等效为悬臂梁-质量块模型，对其进行了静力学和动力学分析。基于分析结果，选择灵敏度较高的结构参数作为优化设计变量，并考虑结构强度、解锁力和一阶共振频率，以软件iSIGHT为平台，对弹片进行多学科优化设计。优化结果表明，弹片个数为10时，弹片总质量达到最小为207 g，比初始质量477 g减少了56.6%。根据优化结果加工了一套锁紧装置，并利用正弦扫频振动和随机振动试验对其进行验证，验证结果显示该锁紧装置能够有效保护飞轮系统。

提出了一种采用飞秒激光切割结合微细电阻滑焊制备3D金属微结构的工艺方法(微型化双工位金属箔叠层制造法，(Micro-DLOM))，并通过制备具有复杂形状的3D微型腔模具验证了该工艺方法的可行性。首先，以厚度为10 μm的0Cr18Ni9不锈钢箔为基材，在110 mW的飞秒激光功率、100 μm/s的切割速度和0.75 μm的切割补偿量下获得二维微结构，并分析了激光功率和切割速度对切割精度的影响; 然后，利用微细电阻滑焊对多层二维微结构进行热扩散焊接，通过多层二维微结构的叠加拟合形成具有曲面特征的微型腔，并对焊接区进行了X射线衍射(XRD)分析。分析发现：微细电阻滑焊所产生的热量仅使焊接区主要物相的相对含量发生了变化，而没有使该区域产生新的物相。与UV-LIGA工艺相比，本工艺可以加工具有自由曲面特征的三维微结构，并且单层钢箔越薄，成形精度越高; 与飞秒激光分层平面扫描烧蚀工艺相比，本工艺仅需切割每层二维结构的轮廓，提高了成形效率; 与微细电火花加工工艺相比，虽然所成形的微型腔表面粗糙度相对较差，但却省去了制备微电极的工艺步骤，并且不存在微电极工作过程中的损耗问题，所以可以加工深宽比不受限制的微模具。

针对电容层析成像技术(ECT)的图像重建质量精度较低的问题,提出了一种基于粒子滤波的ECT图像重建方法。首先，分析了ECT图像重建基本原理，以系统状态估计的方式描述了ECT图像重建最优解的搜索过程，并建立了状态空间模型。然后，以线性反投影(LBP)算法的图像重建结果作为初始状态，利用测量信息对从状态空间中获取的随机样本进行最优加权，以获得重建图像的最小方差估计。最后，对5种不同的流型进行了仿真实验。实验结果表明，利用本文方法获得的重建图像误差平均值为42.93%，相关系数平均值为0.813 9，比LBP算法、Landweber迭代算法和IMNSNOF算法得到的相应指标要好。本文方法是一种有效、精度较高的ECT图像重建方法，为ECT图像重建技术提供了新的途径和手段。

考虑用传统的成像技术检测光生电荷信号时易受模数转换噪声干扰，本文提出了一种基于单光子灵敏雪崩光电二极管(GM-APD)的光子计数成像方法。该方法以单光子灵敏GM-APD作为探测单元，以全数字化方式实现微弱光学信号的有效检测。建立了GM-APD光子流响应模型，利用马尔科夫更新过程分析了光子探测盲区对GM-APD瞬态响应的影响，得到了GM-APD输出的数字脉冲频率与光子流密度之间的关联表达式。搭建了二维扫描成像实验验证装置，通过实验得到了不同密度光子流条件下的光子计数图像。采用标准化互信息量分析得到，在光子流密度为3.0×104 count/s的条件下，该实验装置仍然可以实现可视成像; 当光子流密度达到2.7×105 count/s时，标准化互信息量大于0.5;实现了在低光子流密度时采用光子计数方式对目标物体的有效成像。

为了可靠制备月球卫星景象辅助导航和着陆过程中的月面局部基准图,分析了月面局部基准图制备过程中出现的相关问题和解决方法。结合“嫦娥二号”月球卫星测控和导航实际约束条件分析了各种误差的起因及限制方法，给出了基于美国月球勘测轨道飞行器相机(LROC)全月面基准影像图的月面局部基准图制备算法。实验结果表明，按照所提方法生成的局部基准图与“嫦娥二号”局部正摄投影图像面特征一致，由映射变换产生的图像坐标最大定位误差为7.065 1 m，观测图尺寸为20 km×20 km时的最大形变偏差为6.18 m，正摄投影图像面特征和定位偏差均能够满足月球卫星景象导航定位精度的要求。

针对雷达进行海浪遥测时降雨对雷达波传播和海浪参数反演的影响，提出一种基于质量控制、三维表面粗糙度评定参数及信噪比的降雨资料识别与处理方法来提高海浪参数反演结果的准确度。首先，分析降雨对雷达遥测海浪及海面回波特性的影响，利用质量控制功能判定存在问题的图像。然后，根据回波图像的三维表面粗糙度的相关评定参数以及信噪比的具体变化趋势确定引起雷达图像产生问题的具体原因，确定受降雨影响的图像。最后对受降雨影响较轻的图像进行频域滤波处理，并将反演结果、未作处理的反演结果与参考值进行对比。实验结果显示：周期的相对误差减小了19.13%; 波向测量误差减小了10.54°，表明该方法能有效地区分降雨与非降雨图像，并有效处理降雨图像，提高海浪参数反演的准确度。

设计了光纤传输系统以实现交通诱导屏图像数据的远距离实时传输。针对原光端机的诸多缺点，提出了传输系统的设计方案，构建了完整的系统结构。依据以太网相关传输协议对物理层和数据链路层的设计思想进行了分析，给出了系统中重要模块的设计方法，并对内存寻址和带宽估计进行了精确计算。测试结果表明：利用单芯光纤可完成最大分辨率为1 024 pixel×768 pixel，刷新频率为60 Hz的图像源的实时传输，最大传输速率达1.5 Gbps，距离为5~10 km。与原传输方案相比，该方案减少了额外光端机设备，光纤利用率提高了80%，并利用接收端级联减少了光纤铺设成本。系统能够满足城市交通指挥中心对诱导屏实时信号的传输要求，传输性能可靠，已应用于现行交通诱导系统中。

为了提高分布式电磁接收系统频域标定的效率和精度，提出了一种基于多频伪随机信号的标定方法并研究了多频标定信号的产生和标定数据的处理方法。首先，根据多频伪随机信号的解析式分析了其主频点的振幅和分布特点，通过现场可编程门阵列(FPGA)实现了伪随机信号的编码合成并产生了高精度双极性标定信号源。然后，基于相关检测的噪声抑制原理，给出了检测含噪声多频标定输出信号幅度和相位的多次相关迭代法并通过仿真进行了验证。最后，对分布式双通道电磁接收系统的采集通道和磁场传感器进行了标定测试。结果表明：在外界噪声不大于标定输出信号幅度的环境下，检测结果幅度误差小于2%，相位误差小于1°。该标定方法快速准确，可用于分布式电磁接收系统在不同野外环境下的频域标定。

研制了一套全新的自动安平机构，以解决传统激光扫平仪无法同时兼顾安平精度、范围和速度的问题。首先，改进了传统自动安平仪器中的倾角传感器，设计了一种带有补偿环节的电子水泡以满足仪器的精度要求; 其次，基于PID控制方法设计了用于实现仪器自动安平的闭环控制系统，同时引入模糊控制思想，使其达到了仪器自动安平的速度要求; 最后，优化了仪器机械结构，有效增大了仪器的安平范围。实验测试结果表明，该扫平仪在-10°～+10°的安平精度达到10″，且自动安平时间小于10 s。传统的激光扫平仪相比，设计的安平仪具有安平精度高、扫描范围大和安平速度快等特点。