为表征在轨卫星的自旋稳定、三轴稳定和“翻滚”三种运动状态，提出了一种基于可见光时序多谱段信号分析的目标运动状态辨识方法，分析了目标运动状态与观测星探测视场内时变的目标表面材料间的对应关系，以及材料属性/种类与时序双色比聚类信息之间的关联性。提出了基于时序双色比特征高斯混合聚类的目标表面材料种类判别算法以及目标运动状态辨识算法。综合考虑卫星的背景特性、材料特性、结构特性、轨道特性，对三种运动状态卫星的多谱段信号进行了数学仿真，对目标运动状态辨识算法进行了验证，证明了所提出算法的有效性。

大气折射率结构常数(C2n)是衡量湍流强度的重要物理量之一。利用大孔径闪烁仪对烟台地区近海面环境下2014年1～6月份的大气折射率结构常数进行了测量，对实测数据进行频率计数、日变化以及月变化统计特性分析，并与其他地理环境下的C2n 值变化特征进行对比。统计分析对比结果表明：近海平面C2n 值主要集中分布在10-17~10-14 m-2/3 范围内，属于典型的中等偏弱湍流范畴；不同时段的C2n 值没有呈现出其他环境常见的“转换时刻”变化特征，且夜晚与白天的C2n 值无明显差别，日均值在10-16~10-14 m-2/3 范围内变化，同时结合标准差对测试期间C2n 数据的离散程度进行了详细的分析。

针对工业烟囱排放污染气体空间分布难以实时获取的问题，开发了基于多轴差分吸收光谱（DOAS）断层扫描系统，结合重构算法，可形成可视化的工业气体烟羽垂直断面浓度的空间分布图。该方法是在烟羽两边分别放置一台定时多轴扫描DOAS，同时在扇形光束射线几何模式下，对烟羽的同一垂直断面扫描。以精确反演的线积分浓度为投影向量，基于平滑基函数最小算法，重构烟羽空间分布，给出重构烟羽断面数值模拟图，并讨论断层重构装置的使用范围。将该系统应用到外场实验中，重构了电厂排放NO2烟羽空间分布。

研究了水下高光谱衰减测量仪（ACS）的不确定度。通过不同粒径的标准颗粒（2，5，10，20 μm）的米氏散射理论计算值与紫外-可见分光光度计（PE35）的实测值对比，得出：PE35的衰减测量误差最大不超过8%。针对我国高浑浊水体环境，利用ACS与PE35对我国东海浑浊海水样品进行衰减同步测量，结果表明：ACS在浑浊水体下的测量结果被低估，其不确定度与波长呈负相关；水体的浊度对ACS 衰减测量的不确定度影响较大，且呈正相关，在低浊度水体下ACS(10 cm)的测量值被低估17.2%~19.04%，ACS(25 cm)的测量值被低估7.84%~15.36%，在高浊度水体下ACS(10 cm)的低估则增至26.4%~28.24%。

针对强湍流的空间相关性特点，拟合了基于1-范数的相关函数，利用修正的球不变随机过程(SIRP)法得到相关K 分布随机场，建立了二维相关K 分布湍流信道仿真模型；解决了球不变随机过程法固有的特征随机变量各态历经问题；计算了二维相关K 分布信道模型的误时隙率和信道容量，并与一维K 分布信道模型做比较。结果表明这种模拟湍流信道的方法可以很好地控制K 分布湍流分量的分布形式和统计特性，为信道估计的研究奠定了基础。

提出在1550 nm 波段采用双波长相干超短脉冲光源抽运高非线性光纤获得超连续谱。双波长脉冲抽运能够加强光纤中的四波混频和交叉相位调制过程，从而在相同抽运光功率下，可获得宽度远大于单波长脉冲抽运的超连续谱。利用基于脉冲切割器和Mamyshev再生器的25 GHz双波长相干超短脉冲光源，在入纤功率为24.1 dBm 时，获得了130 nm 宽度的超连续谱，并进一步证实了所获超连续谱谱线之间的相干性。

采用耦合石英膜和光纤接头构成非本征法布里-珀罗干涉仪(EFPI)传感器,检测液-固复合绝缘电介质中的局部放电声发射信号.为解决目前EFPI传感器灵敏度低的问题,依据弹性力学原理和有限元分析方法确定EFPI膜片结构设计方法,并制作传感器样品.建立以分布式反馈(DFB)激光器为光源的EFPI正交强度解调系统.以绝缘油针-板电极局部放电为信号源,利用压电陶瓷(PZT)传感器与EFPI样品进行对比测试.结果表明,EFPI传感器局放检测灵敏度取决于传感器频响带宽和静压灵敏度,完善了EFPI膜片设计方法,获得局放检测灵敏度与PZT相近的EFPI传感器.

为了全面了解光纤陀螺(FOG)各项随机误差随时间的变化特性，利用动态Allan 方差（DAVAR）方法对光纤陀螺输出信号进行了分析研究。结果表明，与经典Allan方差对光纤陀螺随机误差的分析相比较，DAVAR 不仅能准确地评估光纤陀螺各项误差，而且能够直观地反映光纤陀螺各项误差随时间变化的稳定性；由于DAVAR 需要估计出陀螺信号各个时间点的Allan 方差，因此其具有随着分析数据量增大、运算耗时急剧增加的缺点。为此提出了一种基于选择相关时间序列t 的改进型快速DAVAR 的计算方法。实验证明，在不影响DAVAR 运算结果的前提下，改进型快速DAVAR 算法在大数据量分析时有效提高了运算效率。

提出了一种基于光纤的时间和频率同时传递方案。采用基于温控光纤延迟线和压电陶瓷(PZT)光纤延迟线的光学相位噪声补偿技术实现高稳定的频率传递。同时，通过波分复用技术在稳定的光纤链路上进行基于时分复用的高精度同纤同波双向时间传递。在100 km 的光纤链路上进行了时间和频率同时传递实验，光纤频率传递链路的秒稳定度和天稳定度分别达到5.25 × 10-14 和1.9 × 10-17 ；双向时间比对在1 s 处的时间传递秒稳定度优于40ps，在平均时间1000 s处优于1.5 ps。时间差抖动的峰-峰值和标准差分别小于400 ps和45 ps。

将还原氧化石墨烯（rGO）沉积在侧边抛磨光纤（SPF）上制作了一种新型的光纤湿度传感器。在高湿度区域[相对温度(RH)为70%~95%]，传感器的光功率变化达到6.9 dB，尤其在RH 为75%~95%区域，传感器对湿度变化能实现相关系数为98.2%的线性响应，灵敏度可达0.31 dB/(%RH)，响应速度快于0.13 (%RH)/s，并且具有很好的可重复性。对传感机理的理论分析可以解释实验结果，并且表明这种基于石墨烯的光纤传感器亦可广泛应用于其他种类化学气体的探测。这种全新机理的光学传感器是对石墨烯电化学传感器的一种很好的补充，并将促进石墨烯在化学传感技术中的应用。

提出一种基于空气孔填充的光子晶体光纤与普通单模光纤低损耗耦合方法,并通过光束传播法数值仿真的方式研究了填充物折射率以及填充长度等参数对耦合损耗的影响.结果表明,选择合适的填充参数可以大幅度降低光子晶体光纤与普通单模光纤间的耦合损耗,从而实现光子晶体光纤与普通单模光纤间的低损耗耦合.该方法可适用于多种光子晶体光纤与普通单模光纤之间的低损耗耦合,在光子晶体光纤与普通单模光纤的模场严重失配的情况下,该方法的优势更为明显.

为了简化多波长光分组交换系统的发送端结构，提出了一种基于马赫-曾德尔延时干涉仪（MZDI）器件实现多波长双二进制载波抑制归零码（DCS-RZ）格式的光分组产生方法。该方法采用单个MZDI器件将波分复用(WDM)差分相移键控(DPSK)净荷信号转换成WDM DCS-RZ净荷信号，同时完成WDM 非归零码(NRZ)标签与净荷信号的耦合，得到WDM DCS-RZ光分组信号。通过4×40 Gb/s DCS-RZ光分组信号产生、传输和分离仿真实验，验证了方法的可行性。仿真结果表明：240 km 光纤传输后，净荷在经过法布里-珀罗(F-P)滤波器分离后接收灵敏度仅下降1.8 dB。

微球三维位置的精确测量是单分子力谱测量技术中的关键。采用同轴数字全息技术对微球的三维位置进行测量。通过同轴数字全息显微系统采集一系列微球的全息图像，利用瑞利-索末菲传播原理对全息图进行三维重构，同时对重构光场进行去卷积运算，消除了散斑、离焦信号等噪音，并对微球球心纵向光场分布进行多项式拟合，提高了微球三维位置测量精度。实验表明，该方法不仅能够对全视场中的微球进行并行测量，而且能够对交叠微球进行测量，纵向分辨力达到2 nm，在生物单分子动力学、粒子图像测速技术等研究领域具有重要意义。

针对内陆湖泊水环境遥感监测缺乏合适数据源这一问题，基于水体生物光学模型与传统图像融合算法，开发了一种适用于复杂内陆二类水体的生物光学融合（BOF）算法，用于融合多光谱数据和高光谱数据。利用Hyperion数据生成模拟数据集进行算法验证，并将实验结果与小波变换算法、Gram-Schmidt变换算法和色彩标准化算法分别进行对比，结果表明：从视觉效果来看，BOF 算法较好地融合了高光谱数据的色彩信息和多光谱数据的空间细节信息；从图像精度指标来看，BOF 算法不仅在多种分辨率差异下都得到最好的精度，且精度对分辨率差异不敏感；在叶绿素a浓度估算实验中，BOF 算法也得到了最优的效果，均方根误差(RMSE)为9.817，其他三种算法的RMSE 分别为18.841、15.913和15.655。新算法有较强的应用潜力，有望为内陆二类水体遥感监测提供更合适的数据源。

提出了一种基于单次曝光视频重建的颤振探测与图像去模糊的方法，该方法对采样区域处的像素进行编码曝光，并由此重建出一系列视频图像，通过视频图像的位移矢量构建点扩展函数，最终复原模糊图像。该方法不需要额外硬件，在系统复杂度和成本上有着一定优势。仿真结果表明，该方法可以较好地复原图像。

非制冷红外焦平面阵列的响应非均匀性通常表现出与条带噪声相类似的特性。基于场景的校正算法是提高图像质量，补偿响应特性漂移的有效措施。在深入研究矩匹配理论的基础之上，提出了一种新的时域矩匹配非均匀性校正方法。利用相邻帧矩匹配后的图像对场景的变化列进行估计，并在时间域对校正参数进行自适应更新。利用真实的红外图像序列验证了该算法在收敛速度和去鬼影方面的优越性和有效性。

距离选通式水下激光成像技术是一种能够有效抑制水介质的后向散射效应的探测技术，在海洋研究、深海探测和水下作业领域中拥有广阔的应用前景。然而在水下激光图像中出现的散斑噪声和灰度不均匀现象使得实现目标的准确分割较为困难。通过分析散斑噪声形成的机理，提出了一种水下激光图像的有效分割方法。该方法根据像素的噪声响应和灰度分布特性自适应确定各神经元的关键参数，并对噪声位置的神经元的行为进行抑制，基于最大二维Renyi熵准则采用梯度下降法确定了神经元的动态阈值，通过实验结果的比较分析说明该方法明显优于NormalizedCut、模糊C均值、均值漂移和分水岭分割方法，而运行时间约为常规脉冲耦合神经网络的五分之一。

为了有效结合多光谱图像的光谱信息和全色图像的空间细节信息，进一步改善融合后多光谱图像的质量，提出了基于改进投影梯度非负矩阵分解(NMF)和改进脉冲耦合神经网络(PCNN)的非下采样Shearlet变换(NSST)域多光谱和全色图像融合方法。对多光谱图像进行亮度-色度-饱和度（IHS）变换，将其亮度分量与全色图像进行直方图匹配，增强全色图像的对比度；分别对多光谱图像的亮度分量和全色图像进行NSST 变换，对二者的低频系数利用改进投影梯度NMF 进行融合，进一步提高融合后图像的空间信息；对于高频子带系数，采用基于改进PCNN 的方法进行融合，增强图像的细节信息；经非下采样Shearlet 逆变换得到融合后的亮度分量，进行IHS 逆变换得到融合图像。大量实验结果表明，所提出的方法在保留多光谱图像光谱信息的同时，增强了融合图像的空间细节表现能力，优于现有的基于IHS变换、基于非下采样Contourlet变换(NSCT)和NMF、基于NSCT和PCNN 等几种融合方法。

针对航空变焦距镜头的非线性畸变随焦距变化而变化的问题，提出一种地面离线标定和机上在线校正相结合的快速校正方法。利用单参数除式模型校正镜头畸变，根据模板图像中共线点的投影不变性，采用变步长优化搜索方法求解出若干离散焦距下镜头的畸变系数和畸变中心坐标，分析了畸变参数随焦距变化的规律，建立了畸变参数与焦距之间的经验公式。在飞行实验中，将实际工作焦距值代入经验公式得到相应畸变参数对实景图像进行自动校正。对模板图像与实景图像的校正结果表明，该方法能有效校正变焦距镜头的非线性畸变，对3幅不同焦距下的720 pixel×576 pixel模板图像校正平均均方差约为2.68 pixel，平均校正时间约为4.82 s。该方法具有效率高，便于自动化实现和工程应用的优点。

集成成像系统采用微透镜阵列记录空间场景信息，只有一次成像过程，在获取场景深度时，不存在相机的参数设置和校准问题，简化了深度测量过程，具有很大优势。但是由于该系统采集的元素图像分辨率低，容易受记录噪声影响，元素图像之间匹配困难。基于集成成像系统能够计算重构出多幅视图的优势，充分利用多幅视图提供的冗余信息来改善立体匹配情况。采用颜色相似性的自适应窗口在参考视图与其他视图之间进行立体匹配，得到参考视图与其他视图之间的视差信息，利用视差与视图对之间的抽样距离满足正比函数关系的性质，对多个视差值进行函数拟合，减少了由于记录噪声等因素产生的误匹配，物体深度层次的分辨更加准确。

为了标定利用补偿器检测非球面的精度，提出采用倾斜计算全息法（CGH）校验补偿器，并将补偿器精度提高。介绍补偿器检测离轴非球面基本原理，同时结合工程实例，设计补偿器检测860 mm×600 mm 的离轴高次非球面，通过加工与装配，仿真分析出装配后的补偿器精度为2.91 nm [均方根(RMS)值]。设计了利用倾斜式的计算全息板检测该补偿器的实验，并分析出利用该CGH 校验补偿器的精度为1.79 nm(RMS 值)。结果表明，受限于补偿器光学元件加工和组装精度，其检测精度未知，通过对补偿器误差进行检测与标定，可以确定利用该补偿器检测非球面的可行性并将其精度提高。

飞秒光梳的出现为实现高精度绝对距离测量提供了诸多有效方法,并有望直接应用于激光雷达、卫星编队飞行和空间引力测量等空间探测任务.从未来空间精密测距的精度需求出发,提出在飞行时间法辅助测距的基础上利用光学脉冲互相关分析技术将目标距离测量直接溯源到光梳重复频率的测量方法,建立了飞秒光梳测距基本模型,进行了飞秒脉冲互相关理论分析,并开展了互相关及测距仿真实验.仿真结果表明,在目标距离为10 km 以及重复频率扫描精度0.01 Hz条件下,进行非模糊量程内线性测距的测量精度优于450 nm,测距残余误差的峰谷(PV)值为780 nm,验证了该方法实现亚微米级甚至纳米量级大量程空间精密测距的可行性.

介绍了一种新型高精度大动态范围可调线性偏振度参考光源(VPOLS-II),在0.46~2μm 波段内线性偏振度调节范围达到0~0.72.VPOLS-II采用四片平板玻璃起偏的工作原理,辐射光源经过积分球和扩束器准直系统形成具有较高均匀性和平行度的入射光,再经过偏振态调节器输出不同线性偏振度的偏振光.将光谱偏振分析仪实验测量结果与理论计算值进行了比对,分析了VPOLS-II输出线性偏振度不确定度的影响因素.结果表明,线性偏振度范围0~0.72 内,VPOLS-II 的线性偏振度与理论预测值的差异小于6×10-3.在线性偏振度范围0.01~0.09 和0.09~0.72 内,线性偏振度的不确定度分别为8.8%~0.936%和0.936%~0.184%.这种新型参考光源可用于偏振光学遥感器的实验室偏振定标和系统级性能检测.

为了研究同步移相干涉仪中延迟阵列的移相特性，采用琼斯矢量和琼斯矩阵作为偏振光和偏振光传递的参量和模型，分析推导了延迟阵列的移相量与快轴方位角误差之间的传递关系，给出了误差传递函数公式，在没有精确校准延迟阵列快轴方位角的情况下，搭建了基于延迟阵列移相的测量装置，利用该装置和Zygo GPI XP 型干涉仪测量同一块球面镜，测量波面均方根值相差0.003λ，峰谷值相差0.033λ。讨论了延迟阵列方位角误差容限和延迟量误差、偏振片透光轴方位角误差对测量结果的影响。

利用重复频率为1 kHz，中心波长为800 nm，脉冲宽度为120 fs的超短脉冲激光在掺Er3+“无水”氟碲酸盐玻璃中利用狭缝整形技术横向刻写了I类和压低圆包层波导。在对波导刻写参数进行系统研究后，得到了两组导光模式较优的波导。利用波导的近场模式强度分布重构了其折射率分布图，得到两类波导最大的折射率增加量分别为1×10-4和1.9×10-4。用散射法测试了I类波导的传输损耗为1.04 dB/cm；通过测量插入损耗得到压低圆包层波导的传输损耗小于1.88 dB/cm。因此，利用飞秒激光在掺Er3+“无水”氟碲酸盐玻璃中刻写的光波导，在集成激光光源制作方面具有很好的应用前景。

分析了空中目标态势的影响因素以及与激光脉冲回波参数的关系；考虑了目标的距离、速度、进入角和尺寸等因素对脉冲时延和展宽的影响，建立了相应的关系模型，得出了不同因素对脉冲时延和展宽有不同影响程度的主要结论；探讨了激光大气斜程传输过程，提出了一种激光大气斜程透射率计算方法，对一般的激光大气传输能量衰减模型进行了改进，得出激光脉冲能量随距离的增大和目标投影面积的减小而呈现指数衰减规律；搭建了实验系统平台，并对实验采集的回波数据进行了分析；对比了脉冲展宽理论计算结果与实测结果，二者相对误差控制在6%以内，具有很好的符合程度，验证了所建模型的有效性。得出的结论具有为反演空中目标态势信息提供一定参考的价值。

数值模拟了半导体环形激光器（SRLs）的同步. 在频率失谐为-20 GHz，注入系数大于2.5 时，两种方案(闭环、开环)的SRLs 均可以获得互相关系数大于0.95 以上的同步.讨论了在不同的注入系数下同步对频率失谐的稳健性,结果表明开环同步对频率失谐的稳健性更好。研究了SRLs 内部参数的变化对同步的影响,通过适当调节SRLs 内部参数的数值可使两种结构的同步质量都得到优化。闭环同步的互相关系数从0.96 提高到0.99(开环同步互相关系数从0.95提高到0.97)。最后讨论了在闭环结构中偏置电流和反馈延迟时间失谐对同步的影响。

建立激光辐照下熔石英体内球形杂质引起元件损伤的模型。基于Mie 理论计算杂质的散射系数，研究杂质颗粒附近的调制光场分布，分析光强增强因子（LIEF）与杂质折射率及半径的关系。结果显示，杂质颗粒半径小于40 nm 时，所有类型杂质对光场的调制作用可以忽略；颗粒半径大于40 nm 时，对于折射率小于熔石英的非耗散杂质，LIEF 随颗粒半径的增大和折射率的减小而增大，且后向散射远强于前向散射；对于折射率大于熔石英的非耗散杂质，随着折射率和半径的增大，LIEF 整体趋势增大，局部达到102量级。对于耗散杂质，前向散射强度随颗粒半径的增大先增大后减小，当颗粒半径大于170 nm 时，后向散射强于前向散射。

物理实验对神光II装置的输出脉冲波形有很高的精度要求。对于单色光，通常做法是利用增益通量曲线反演激光链路获得注入波形，该方法在求解高通量或复杂波形时的精度比较差，甚至对宽带脉冲失效。针对不同输出通量，提出了智能算法和增益通量曲线的分层使用策略并应用于神光II全链路的波形反演，混合算法的计算精度理论上取决于采样点数目。通过模拟仿真验证了混合算法具有稳定性好、精度高和收敛快的特点。

为了准确检测视频中的遮挡区域，提出一种融合多特征基于图割的视频遮挡区域检测方法。基于光流和亮度信息提出三种新的遮挡相关特征—亮度块匹配特征、最大光流差特征和光流残差特征，并定义了所提特征的计算方法。以像素点为单位将所提特征组成特征向量输入随机森林分类器，获取像素点及邻接像素点对的遮挡相关信息。综合利用所获取的遮挡相关信息，通过构造遮挡检测能量函数将遮挡检测问题转化为优化问题。根据该能量函数构造无向图，并基于图割理论对能量函数进行求解，从而得到最终的遮挡区域检测结果。实验结果表明，同现有表现较好的遮挡检测方法相比，所提方法具有较高的准确性和较好的实时性。

稀土掺杂硫系玻璃是实现中红外发光的重要手段，通过在稀土掺杂硫系玻璃样品上构造光子晶体结构可以大大增强其发光效率。制备了Tm3+离子掺杂硫系玻璃样品并测试了其光谱特性，通过设计光子晶体结构来增强Tm3+离子跃迁产生的3.73 mm 处的荧光强度。利用有限时域差分法（FDTD）进行运算，模拟结果表明，通过优化设计的光子晶体结构参数，掺杂样品在3.73 mm 处的光子态密度相比于未采用光子晶体结构所产生的光子态密度有极大提高，计算其Purcell放大因子可达到未进行结构设计的50 倍以上。光子态密度的极大提高以及Purcell放大因子为增强发光强度提供了理论依据，该研究结果对实现高效率中红外光源器件具有重要的指导意义。

采用大介质柱和椭圆介质柱环绕微腔结构构成光子晶体耦合腔光波导（PC-CROW），在获得慢光的同时，其缓存特性也获得了提高。当普通介质柱半径为0.25a（a 为光子晶体晶格常数），环绕微腔圆形大介质柱半径为0.35a时，得到小于2.37×10-4c（c 为真空中的光速）的导模群速度，这比均匀介质柱微腔波导的最大群速度减小了一个数量级，存储容量也有所下降；考虑到缓存性能，为了进一步改善PC-CROW 的慢光性能和缓存特性，将环绕微腔大介质柱椭圆化，在椭圆长轴为0.42a，短轴为0.20a 时，获得导模群速度小于2.3053×10-4c，存储容量达到9.8214 bit，品质因子Q 也达到了最大值3575.1。

利用隧穿机制研究了含磁光金属Co6Ag94的三明治结构（磁光金属嵌入两个磁光光子晶体中）的透射性质和磁光法拉第旋转效应。在含磁光金属的三明治结构中，分别研究了双透射峰和单透射峰两种情况。研究结果表明，无论是双透射峰还是单透射峰情况，局域在磁光金属和磁光光子晶体界面上的电磁场，都能够同时增强磁光金属的透射和磁光法拉第旋转效应。另外，分析了磁光金属Co6Ag94存在增益时该三明治结构法拉第旋转角达到-45°的情况，此性质为设计小型化的磁光隔离器件提供了理论依据。

利用硅介质柱在空气中周期性排列构成六角结构的光子晶体平板，并在晶体平板中引入不同构型的缺陷，通过改变缺陷介质柱的半径和缺陷中心位置探讨引入缺陷对成像质量产生的影响。时域有限差分法模拟结果表明：介质柱半径和位置的改变，能使光的透射率提高，增加像方的强度。由于缺陷的引入，缺陷之间的相互干扰会降低成像的分辨率。

点扩散函数一般用于成像光学系统的分辨率评价，而掺杂微球的模体经常被用于获取光学相干层析成像(OCT)系统的点扩散函数。采用一种简单快速的基于表面硅烷化处理的加工工艺，制作出掺杂直径为1 μm 聚苯乙烯微球的聚二甲基硅氧烷(PDMS)点扩散函数模体，该工艺无需任何打磨与抛光即可得到光洁度优良的模体表面。使用一台谱域OCT系统对该模体进行检测，通过处理OCT图像得到点扩散函数并计算得到OCT系统的轴向与横向分辨率，分别为6.8 μm 和14.3 μm，与理论预测值十分接近，证明了点扩散函数模体评价方法的有效性。

星载扫描层析临边成像光谱仪已成为空间大气遥感领域的迫切需求，根据临边宽水平覆盖轻小型星载扫描层析临边成像光谱仪的研究目标，采用一维扫描镜、离轴抛物面望远系统和非球面光栅光谱成像系统匹配，设计了一个视场0.75°×0.017°、相对孔径1/1.8、工作波段280~800 nm 的星载扫描层析临边成像光谱仪光学系统，利用光学设计软件CODE V 进行了光线追迹和优化设计，光谱成像系统不同波长的点列图直径的均方根(RMS)值均小于34 mm，光谱分辨率0.84 nm，满足的指标要求(≤1.2 nm)，扫描层析临边成像光谱仪全系统在空间方向各波长在特征频率处的光学传递函数均达到0.57以上，能够满足成像质量要求，适合空间大气遥感应用。

提出了一种基于粒子群优化算法的光刻机光源优化方法.将光源信息编码为粒子,利用图形误差作为评价函数,通过更新粒子的速度与位置信息不断迭代优化光源图形.对周期接触孔阵列和含有交叉门的复杂掩模图形的仿真验证表明,两者的图形误差分别降低了66.1%和27.3%,有效提高了光刻成像质量.与基于遗传算法的光源优化方法相比,该方法具有更快的收敛速度.另外,还研究了像差和离焦对本方法稳健性的影响.

针对大气风场矢量的星载探测应用,提出一种双视场准共路多普勒外差干涉仪方案,其采用平面镜视场耦合、K?sters棱镜单光栅干涉仪和一维成像镜的系统结构,可以同时探测两个正交方向不同高度层的视线风速,具有结构紧凑、无运动部件、探测效率高等特点.推导了基于K?sters 棱镜的准共路干涉仪非对称量Δd 与光栅利特罗角、分光棱镜尺寸等初始光学参数的关系.以基于氧原子红线(O[1D]630 nm)进行星载高层大气风场探测为例,给出了参数优化和系统设计的过程及结果,并对全系统干涉图进行建模仿真.结果表明：双视场准共路多普勒外差干涉仪具有一维空间分辨能力,在不使用视场扫描装置的情况下就可获得两个视场方向不同高度层上的干涉图,借助卫星平台运动可以获得同一目标区域的风场矢量信息.

提出利用非相干单色发光二极管(LED)光源和多模光纤产生空心光束。证实了将LED 光源以一定角度倾斜耦合进大芯径多模光纤可获得光斑均匀的空心光束。分析了光束在多模光纤中的传输路径和产生空心光束的机理，并用Zemax软件建立仿真模型进行模拟。搭建利用LED 和多模光纤产生空心光束的实验系统并且与激光作为光源产生的空心光束进行分析比较，结果表明利用LED 光源获得的空心光束均匀性更好。

传统的罗兰圆光谱仪和Czerny-Turner型光谱仪常常采用刻线密的光栅和大的成像焦距,来提高其光谱分辨率,其结果导致成本高和仪器体积庞大.为了克服这一缺点,提出了一种中阶梯光栅和低色散棱镜相结合的光谱仪光学系统设计方法.具体分析了中阶梯光栅的基本原理和使用方法,给出设计基于中阶梯光栅的光谱仪基本步骤,并且实际设计了基于中阶梯光栅的高分辨光谱仪光学系统,焦距为400 mm,可在全谱工作波段180~800 nm 成二维光谱.Zemax光学设计软件对光学系统进行光线追迹结果表明,该系统环围能量在单个CCD像素(24 mm×24 mm)内达到50%~70%以上,200 nm 处分辨率可达0.00675 nm,完全满足设计指标要求.

针对红外搜索及跟踪系统中折反式光学系统结构复杂，装调困难及成本高的问题，采用了一种一体式折反结构的透镜。在单片透镜的前后表面进行分区域加工，分别镀上内反射膜和增透膜，形成两个反射面和两个透射面，构成折反一体式透镜。将整个光学系统集成在一片透镜上，降低了系统的复杂度和装调难度，提高了系统的稳定性和可靠性。设计了适用于中波红外的紧凑型成像光学系统，远射比达0.62，结果表明该系统像质优良；各视场光学传递函数均大于0.55，接近衍射极限，并且利用二元衍射光学元件在-40 ℃~60 ℃实现光学被动消热差；最后利用单点金刚石车床加工出的样机在不同温度下进行成像实验，结果表明在不离焦的情况下，各温度下成像清晰，满足实际加工和应用需求。

为简化红外目标模拟器结构,提出了一种新型共光路红外目标模拟器方案,基于此方案设计了一款结构紧凑型双通道红外投影系统,系统视场角为±3°,工作波段为3~5 μm,入瞳距为550 mm,焦距为220 mm,F 数为3.67.通过分析以往红外目标模拟器结构相对复杂的原因,以及干扰目标模拟器的结构形式对共光路设计的影响,提出了一种利用黑体/摆镜组合作为干扰目标源的双通道共光路解决方案,简化了系统结构.并从理论上分析了摆镜对系统性能的影响,证明了此方案的可行性.设计结果表明,主目标通道各视场在16 lp/mm 处调制传递函数值均优于0.5,两通道各视场弥散斑均方根半径均小于18 μm、畸变均小于1%.通过调焦,该系统能满足-10 ℃~40 ℃工作环境下的使用要求.

采用逆向优化设计的方法设计发光二极管(LED)路灯透镜，提高LED 路灯道路照明质量和能量利用率。以城市道路照明标准为约束，优化出最大亮度照度比的理想配光曲线。基于得到的理想配光曲线，透镜采用分离变量法设计自由曲面，将光源和目标面进行网格划分，形成能量对映关系。同时对曲面构造误差进行控制，再利用反馈优化法对透镜进行优化，使透镜的配光曲线趋于理想。仿真实验表明：采用逆向优化设计的LED 路灯透镜，能很好地符合道路照明标准，亮度照度比为0.067，同时相对于传统的对称型LED 路灯配光曲线节省20.2％ 的能耗，使LED 路灯达到了高照明质量和高能量利用率的目的。

研制了一种新型全聚合物49信道绝热低偏振相关阵列波导光栅（AWG）芯片。利用直接紫外光写入技术，实现了波导芯片的设计与制备。利用Matlab 软件对AWG 的传输特性进行了优化模拟，通过对聚合物衬底的热膨胀系数和聚合物波导的热光系数进行调控，得到了器件良好的绝热低偏振相关特性。测得AWG 的中心波长为1550.918 nm，波长间隔为0.8 nm，插入损耗的信道变化范围是5.51 dB~10.62 dB，串扰大于20 dB，偏振漂移和温度变化分别是0.08 nm 和0.03 nm/K。这种新技术十分适用于高性能多功能集成光路中，具有广阔的应用前景。

从迈克耳孙干涉仪干涉原理出发，分析了圆形镜面抛光面形误差对干涉调制度的影响。由于存在镜面面形误差，干涉调制度不能达到理想情况下的100%，但其干涉调制度不能低于理想情况下的90%。通过分析和讨论，镜面面形误差最好控制在λ/14 以内，干涉调制度才可能不低于90%，这样干涉仪才能保持比较满意的性能。同时，使用Zygo干涉仪对5组平面镜的平面度进行了测量，得到了这5组平面镜的峰-峰值和其他一些参数，通过分析测量结果，这5组平面镜的平面度都能达到干涉调制度的要求。通过对迈克耳孙干涉仪中平面镜面形误差的研究，这对于干涉光谱仪的设计、研制和性能的分析都具有一定的指导意义。

为提高胆红素的光降解效应和新生儿黄疸病光疗的效果，设计研制了一种新生儿黄疸治疗仪用发光二极管(LED)光源。以实验测试的体外游离的标准胆红素溶液最有效的吸收光谱作为黄疸治疗仪光源的目标光谱，采用市面上现有的峰值波长和半峰全宽的不同单色LED 作为匹配光源，将简单遗传算法作为光谱匹配算法，进行了光源光谱的匹配设计、样灯制作和光谱测试与分析。结果表明：拟合的光谱与目标光谱匹配度达到了97.62%，实际的黄疸治疗仪光源样品的光谱与目标光谱的匹配度达到了93.08%，窄带宽的单色LED 能够匹配出所需要的目标光谱，光谱匹配度高，为新生儿黄疸光疗仪用光源的选择提供了研究的基础。

空间多用途双面反射镜是某型星载高光谱成像仪的关键光学元件,其设计与制备是高光谱成像仪工程研制阶段必须解决的重要问题.介绍了一面为光学反射面、一面为漫反射面的双面反射镜构成方案;综合考虑了两种反射面特性要求选用了6061铝合金作为镜体材料;从径厚比、轻量化结构形式、安装界面等方面开展了反射镜的结构设计和有限元分析;在此基础上探索了合理的制备工艺并完成了研制工作;介绍了双面反射镜性能测试装置并给出了测试结果.测试结果表明,6061 铝合金双面反射镜光学面面形均方根值达到0.023λ(λ=632.8 nm);正入射条件下漫反射面的归一化漫反射特性与标准漫反射板相当,能够满足工程研制需要.

为了研究温度对机载成像光谱仪谱线漂移的影响，分析了机载环境下仪器温度载荷的特点、作用机理和表现形式，研究了光谱仪的谱线漂移特性。根据机载环境下温度载荷特点，利用有限元法，结合最小二乘法和坐标转换法，计算了光学系统各镜面在温度载荷作用下面形变化和刚体位移。对变形后的光学系统进行了光线追迹，研究了其谱线漂移特性。通过热光学实验和飞行成像期间光谱定标实验验证了理论分析。热光学实验表明，在±10 ℃温度变化范围内，谱线在光谱方向仅发生整体平移，没有拉伸或压缩效应。在飞行期间的定标实验中，其平均谱线偏移量为0.248 nm，满足定标精度的1/3（定标精度为1 nm）要求。后续成像不需要再进行光谱定标或光谱修正。

基于应用光学中基本辐射理论，研究了临近空间高空气球的光散射特性。利用计算几何学的坐标转换以及网格划分建模思想，对高空气球球面进行网格面元划分。根据高空气球等透明类物体几何结构和物体光学特性，推导出透明类物体双向散射分布函数（BSDF）镜反射/折射、近镜反射/折射、漫反射/折射、理想漫反射/折射相结合的计算模型，最终得出高空气球散射背景辐射在地面产生辐射亮度的计算模型。利用MODTRAN 软件在3~5 μm和8~14 μm 波段仿真计算临近空间高空气球的背景辐射亮度，在0.24~2.4 μm 波段仿真计算气球自身亮度。仿真结果表明：利用BSDF模型计算得到高空气球亮度为2.28 × 10-3 W/(cm2·μm·sr) ，计算结果误差为10.6%，精度相对双向反射分布函数(BRDF)模型提高2%。在分析高空气球等类透明体散射特性时，可参考此模型来进行计算。

可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）具有高灵敏度和高分辨率等特点，被广泛应用在痕量气体的快速检测中。研制了基于TDLAS 的开放式长光程CO 和CH4实时检测系统，采用直接吸收的方法，避免了波长调制技术中必需的浓度标定，结构简单。利用STM32进行数据采集处理，获取气体浓度值和光强变化值，通过串口屏实现浓度和光强值的在线显示以及浓度和光强随时间变化的曲线显示，并将浓度数据存储在SD 卡中，取代上位机操作，实现检测系统小型化。利用中心波长在2333 nm 附近的激光器结合直接吸收的方法，在往返750 m 的长光程上，对合肥市科学岛的大气CO 和CH4 进行同时检测实验。检测结果表明，大气中CO 浓度值整体低于CH4 值。对该系统进行长时间的测试，验证系统稳定性，CO 系统检测限为0.205 mg/m3，CH4为0.181 mg/m3。

同步辐射红外光源具有宽光谱范围、高准直性、高亮度等特点。相比于传统的红外热光源，同步辐射红外光源的尺寸非常小，空间分辨率可达到衍射极限。为了得到准确的空间分辨率信息，对上海光源BL01B1红外谱学显微光束线站的空间分辨率进行了测试。使用刀片法和鉴别率板对上海光源BL01B1红外谱学显微光束线站水平和垂直方向的空间分辨率进行了详细测量，两种测试方法的结果都表明在所测的中红外波段，同步辐射红外谱学显微技术的空间分辨率达到衍射极限，与理论值十分符合。

采用光谱型椭偏仪(SE)和分光光度计分别测量了超薄类金刚石(DLC)薄膜和非晶硅(a-Si)薄膜的椭偏参数（y和D）和透射率T。由于薄膜的厚度与折射率、消光系数之间存在强烈的相关性，仅采用椭偏参数拟合，难以准确得到薄膜的光学常数。如果加入透射率同时进行拟合（以下简称SE+T 法），可简单、快速得到薄膜的厚度和光学常数。但随机噪声、样品表面的轻微污染或衬底上任何小的吸收都可能影响SE+T 法拟合的光学常数的准确性。因此将SE+T 法和光学常数参数化法联用，实现DLC、a-Si薄膜光学常数的参数化，以消除测量数据中的噪声对光学常数的影响。结果显示，联用时的拟合结果具有更好的唯一性，而且拟合得到的光学常数变得平滑、连续且符合Kramers-Kronig (K-K)关系。这种方法特别适合于精确表征厚度仅为几十纳米的非晶吸收薄膜的光学常数。