为了提高斜程能见度的计算精度, 提出了一种基于Fernald-PSO法求解气溶胶激光雷达比的方法.首先, 以均匀层底部和顶部的大气消光系数相等为条件构建气溶胶激光雷达比和气溶胶消光系数边界值的方程.然后, 再以激光雷达数据反演和AERONET网站观测的气溶胶光学厚度相等为条件构造另一参量方程.最后, 采用Fernald-PSO法解方程组, 用得到的参量反演气溶胶消光系数计算斜程能见度.采用激光雷达和AERONET数据对该方法进行验证, 分析气溶胶激光雷达比对斜程能见度反演的影响.结果表明, 同一信号气溶胶激光雷达比假设值与计算值相差越大, 气溶胶消光系数和斜程能见度的相对误差绝对值也越大, 最大误差分别为18.93%和19.90%.

提出一种基于纳米铜/石墨烯包覆光子晶体光纤的硫化氢传感方法.将两根单模光纤分别与实心光子晶体光纤进行粗锥熔接, 形成马赫-曾德干涉结构.先在光子晶体光纤表面包覆石墨烯薄膜, 再在石墨烯薄膜的表面沉积纳米铜形成复合敏感薄.当复合敏感薄膜吸附硫化氢气体时, 其自身折射率发生改变, 导致光子晶体光纤中纤芯与包层的光程差发生变化, 干涉波谷发生偏移.建立气体浓度与波长偏移关系, 实现硫化氢的低浓度检测.研究表明：该传感器的灵敏度为8.5 pm/ppm, 检测限为3.85 ppm, 在硫化氢浓度为0~80 ppm范围内呈现良好的线性和选择性, 其输出光谱呈现蓝移, 响应时间和恢复时间分别约为92 s和119 s.该传感器成本低、结构简单、制作容易, 有望应用于硫化氢气体的探测.

采用快速傅里叶变换算法, 数值模拟了双泵浦宽带布里渊吸收谱的受激布里渊散射快光.模拟结果表明信号脉冲的时间提前、衰减和脉冲展宽因子容易受到两个泵浦光的相对频率分离因子、输入泵浦光的功率以及光纤长度的影响.优化设计频率分离因子、输入泵浦光的功率以及光纤长度, 224 ps高斯信号脉冲实现了80 ps的最大提前量和0.87的最小展宽因子.研究结果可以提高光纤通信系统的数据速率, 降低脉冲失真.

为减小调制噪声背景的干扰, 提出了直接吸收光谱激光检测气体浓度反演的三级卷积降噪信号处理方法.以谱线6 612.939 cm-1附近氨气分子吸收为例, 分析了该降噪方法对氨气浓度反演的有效性.实验结果表明, 经三级卷积降噪后的氨气原始吸收谱线信号整体均方根误差由初始8.53降至1.01, 基线扣除归一化得到的氨气光谱吸收率谱线信噪比提高3.3倍; 连续5次测量浓度5%标准氨气, 反演浓度值平均偏差为0.0743%, 相对标准偏差为1.4%, 优于原始吸收谱线信号的小波降噪和不降噪处理反演值.采用三级卷积降噪方法预处理原始吸收谱线信号, 提高了气体浓度反演精度, 可为工业过程高浓度气体激光在线检测提供参考.

理论分析了在不改变光滤波器的条件下, 通过设置级联马赫曾德尔调制器的直流偏置点和调制指数, 实现最小光边带抑制比和最小杂散抑制比分别为45.48 dB和39.46 dB, 倍频系数为2k(k=1,2,…,6)的高频微波信号产生.在此基础上, 分析了马赫曾德尔调制器直流偏置点、射频调制信号幅度和初始相位差等因素变化对边带选取性能的影响, 并进行了相应的仿真实验, 实验结果验证了该方法的可行性和有效性.

针对暗通道先验算法在天空区域透射率估计不准确的问题, 利用三个不同尺度的高斯函数分别作用于有雾图像的RGB通道来获得“伪”去雾图像; 其次, 利用有雾图像的混合通道得到自适应参数, 将该参数和最小值滤波共同作用于“伪”去雾图像, 接着用联合双边滤波消除纹理效应得到透射率的精确估计; 最后, 采用局部大气光估计方法, 结合大气散射模型复原出无雾图像.实验结果表明, 该方法不仅降低了时间复杂度, 且复原出的图像细节明显, 明亮度适宜, 对于大面积天空区域有良好的去雾效果, 改善了天空区域的颜色失真.

为了充分利用源图像重要特征,提出了一种基于迭代导向滤波与多视觉权重信息的红外与可见光图像融合算法.首先,通过一种迭代导向滤波器将输入图像分解为基础层与细节层; 其次,利用边角信息、清晰度与对比度来综合确定二进制权重系数,再选择导向滤波对其优化,进一步去除噪声并抑制伪影的产生; 最后,应用重构准则对基础层与细节层进行组合,得到融合图像.实验结果表明,与其它多尺度分解相比,该方法具有尺度感知特性,可以更好地分离空间重叠的特征,不仅可以使夜视融合图像的细节信息更突出,还能够有效地抑制伪影.

针对我国光学遥感卫星高频次和高精度定标的技术需求, 以及目前人工定标的不足, 研制了超光谱比值辐射仪系统.该仪器具备长期自动观测功能, 光谱范围为400~2 500 nm.光机系统主要由前置光学系统和光谱模块组成.根据场地定标中的参数需求与自动化定标的目标, 设计积分球测量总辐照度, 并通过遮挡的方式实现漫射辐照度的测量, 获得卫星定标中的漫总比数据; 设计光学镜头测量地面辐亮度, 从而实现大气-地表辐射特性的自动观测.同时仪器集成了定标数据实时预处理和远程传送等功能.为验证仪器的野外环境适应性和自动化测量数据的可靠性, 与传统人工测量地表反射率与漫总比的方式进行了外场对比实验.实验结果表明, 两种方式所测的总辐照度、漫射辐照度和直射辐照度的相对偏差均小于5%, 漫总比的绝对偏差均小于0.025%; 所测反射率整体趋势相同, 且二者的偏差普遍在±1%以内, 最大偏差小于±2.5%.超光谱比值辐射仪具有较高的自动化测量精度, 能够替代人工测量大气辐射特性参数和地表反射率, 实现较高的测量频次, 在遥感卫星自动化定标领域具有广阔的应用前景.

研制了一种针对半导体器件的温度控制系统, 不仅可用于对内置热电制冷器的半导体器件的温度控制, 同时实现了在宽环境温度范围内对无热电制冷器及热敏电阻的半导体器件的温度控制.系统硬件主要由两部分组成, 第一部分包括主控制器模块、温度采集模块和热电制冷器电流控制模块, 实现对内置热电制冷器的半导体器件的温度控制; 第二部分包括辅控制器模块、温度采集模块、金属氧化物场效应管开关电路模块及附加四级热电制冷器, 实现对无热电制冷器的半导体器件的温度控制.软件部分, 主辅控制器分别实时采集半导体器件的工作温度, 采用积分限幅式数字比例-积分-微分算法, 调整热电制冷器驱动器的电流实现恒定的温度控制.利用本文研制的温度控制系统对内置热电制冷器的半导体激光器的温度控制准确度为±0.01℃, 温度稳定性为0.004 8℃; 在无热电制冷器的半导体光源的温度控制实验中, -18℃、室温、40℃环境下的温控准确度分别为±0.05℃、±0.01℃、±0.02℃.利用研制的温控系统连续5 h测试了1.563 μm激光器的输出光谱, 峰值输出波长稳定; 采用1.653 μm激光器, 分别利用研制的温控系统和商用系统开展了甲烷气体检测实验, 与商用控制器相比, 本文研制的温控仪获得的系统检测下限更低.该系统具有体积小、成本低、便于集成、工作稳定可靠的优点, 在气体检测中有良好的应用前景.

在1.2 m车载望远镜的基础上, 通过机上折轴卡塞格林焦点, 将主光学系统与白天成像系统相连, 实现了白天高分辨成像.该系统采用短波红外波段, 在精密跟踪的同时, 校正大气波前整体倾斜.近红外波段的双通道成像系统, 通过在焦与离焦像面同时采集后, 利用相位差异技术来提高成像分辨率.该系统探测能力达到5等星, 成像分辨率接近两倍衍射极限, 观测时间比自适应系统延长6 h.

为了对光学遥感卫星中飞轮微振动带来的成像像移进行精确预估, 研究了飞轮微振动对成像影响的相关机理, 建立了理论分析模型, 搭建了高仿真度实验测量平台.研究微振动对成像影响机理, 构建从飞轮扰振特性到成像像移之间的传递函数表达式, 理论证明了谐波特性和模态特性是飞轮微振动对成像像移影响的两大重要特性.搭建高仿真度的实验平台对微振动影响下的图像像移进行精确测量.对比理论模型分析所得像移和实验测量数据, 分析两者结果不一致产生的原因.结果表明：理论与测量的像移结果中谐波特性非常一致, 两者具有几乎一致的典型的谐波因子;模态特性在低频段具有较高一致性, 中低频段误差在8%以内.

为降低干涉带来的影响, 将一种随机位相分布引入菲涅耳透镜阵列, 对阵列中每一个菲涅耳透镜施加0或π的二值化位相变化, 打乱阵列位相的周期性排布, 减少微透镜后多光束在匀化面干涉带来的影响.通过数值计算对激光束的匀化过程进行了模拟, 设计的菲涅耳透镜口径为0.5 mm, 焦距为6 mm, 阵列数目为20×20, 光斑整体均匀度达到90%, 光束能量利用率达到96%.利用设计和制备的16台阶随机位相型菲涅耳透镜阵列对1 064 nm波长的激光光束进行匀化, 均匀度为83%, 光束能量利用率为89%.研究结果表明, 通过引入随机位相可有效减少干涉带来的影响, 提高微透镜阵列对单模高斯光束的匀束效果.

利用中心波长1 028 nm、重复频率50 kHz、脉冲宽度220 fs的超短脉冲激光在掺Nd3+光热敏折变玻璃中刻写双线型和压低包层管状波导.研究了激光功率、波导双线间距、管状波导直径对近场模式的影响, 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+7.0×10-4和+5.5×10-4.利用散射法测得双线型波导的传输损耗为1.29 dB/cm; 通过测量插入损耗得到压低包层管状波导的传输损耗小于1.95 dB/cm.利用飞秒激光在掺Nd3+光热敏折变玻璃中直接写入光波导, 在集成光学器件上具有广阔的应用前景.

建立了猫眼回波探测成像光学系统损伤程度的实验系统, 得到激光损伤CCD时猫眼回波峰值功率随辐照时间的变化曲线, 分析了回波峰值功率的变化机理, 并据此建立回波峰值功率变化与CCD损伤程度之间的联系.研究表明, 受CCD不同损伤区域的反射率及粗糙度差异的影响, 猫眼回波峰值功率随CCD损伤程度的加深呈现先显著上升再迅速下降的变化规律, 实际应用时可通过探测CCD猫眼回波强度的变化,再依据此规律来推断CCD各层结构的损伤状态.

提出一种将EPnP算法和SoftPOSIT算法融合的单目视觉姿态自动测量方法.首先, 利用EPnP算法计算得到立体靶标的位姿参数, 并将该位姿参数作为SoftPOSIT算法的迭代初始值带入.其次, 将SoftPOSIT算法计算位姿的的迭代过程与立体靶标结合, 实现姿态的自动测量, 并仿真验证了拓扑确定位姿的有效性.最后, 为了验证姿态测量结果的精度, 以高精度二维转台为基准, 将立体靶标安装在二维转台中, 通过控制转台转动角度得到靶标姿态的测量数据.实验结果表明, 当转台转动角度在［-20°, 20°］时, 靶标姿态角α的测量结果标准差为0.20°, 姿态角β的测量结果标准差为0.27°.

为提升分层卷积相关滤波跟踪算法的速度和精度, 减少无效卷积通道特征对跟踪精度的影响, 提出一种自适应特征选择的分层卷积相关滤波跟踪方法.该方法选取能表征目标的双层卷积特征, 将相关滤波训练与预测合并, 在视频序列的每一帧计算上一帧目标区域与非目标区域的卷积特征均值比, 选取满足特征均值比要求的卷积通道特征训练相关滤波分类器, 根据分类器与目标特征的最大响应值预测目标位置; 最后根据预测结果稀疏更新目标初始帧特征, 作为后续帧训练分类器的依据.在OTB-100标准数据集上对算法进行测试, 实验结果表明本文算法的平均距离精度为91%, 平均重叠率精度为64.4%, 平均速度为21.7帧/秒, 比原分层卷积相关滤波跟踪算法分别高出7.3、8.2个百分点和11.3帧/秒, 该算法的平均距离精度比高精度的连续卷积跟踪算法（CCOT)高1.2个百分点, 跟踪速度是CCOT的近20倍.本文算法可以有效提升分层卷积跟踪算法的速度和精度, 在目标发生遮挡、快速运动等干扰时能稳定跟踪到目标.

采用溶液旋涂法在平面异质结型钙钛矿电池中引入氧化石墨烯（Graphene oxide, GO), 制备了GO、GO∶(PEDOT: PSS) 复合薄膜和GO/PEDOT∶PSS双层薄膜作为空穴传输层的电池, 其光电转换效率分别为1.86%、7.35%、7.69%, 基于PEDOT∶PSS空穴传输层的对照电池的效率为7.38%.主要原因是GO具有绝缘性, 作为阳极界面层时, 随着GO薄膜厚度增加, 器件的串联电阻增大, 从而降低了电池的短路电流和效率.为提高GO导电性, 并改善其功函数, 将GO氨化改性后与PEDOT: PSS组合构成双空穴传输层, 所得电池取得了7.69%的较高效率, 表明该方式是GO用于钙钛矿电池空穴传输层的有效途径.

为了分析混合光栅对硅薄膜太阳能电池光吸收的影响, 在硅层厚度等效一致的条件下, 设计了单一形状、同向和异向混合形状光栅单晶硅太阳能电池结构.利用时域有限差分法分别优化计算了各种混合光栅的最佳尺寸、光生电流密度和光吸收效率, 发现异向混合结构的Ag光栅比其他结构具有更好的光吸收能力.通过电磁场强度分布图分析了混合光栅结构的吸收增强机理, 并针对异向混合光栅, 计算了不同光栅数量组成结构的光生电流密度.同时, 利用光吸收增强因子定量分析得出一个三角凸型和一个抛物线凹槽是异向混合光栅最佳数量组合.有规律地改变这种混合光栅的宽度比和高度比, 计算光生电流密度.结果发现当宽度比为1∶1, 高度比在一个小范围内（0.67 ~ 1.86)波动时, 这种异向混合结构比平板太阳能电池的光生电流密度提高了62.9%.研究结果可为薄膜太阳能电池的结构和参数设计提供参考.

采用水热法, 制得了管径约为10~15 nm、管长约为10~300 nm、管壁上附着NiO纳米颗粒的TiO2纳米管复合光催化剂（NiO/TiO2).采用X射线衍射、透射电子显微镜、扫描电镜、X射线光电子能谱及紫外-可见漫反射光谱等技术对催化剂进行了表征; 以甲基橙为模拟污染物, 评价了纳米管的光催化活性.结果表明：NiO晶粒与TiO2晶粒结合形成p-n异质结, 有效地促进了光生电子和空穴的分离; NiO对可见光有强烈的吸收, 使复合TiO2纳米管在整个可见光区域均有很好的光吸收; 以上两点使NiO/TiO2纳米管可见光下的光催化活性大幅提升, 500℃煅烧后纳米管对甲基橙1 h分解比由纯TiO2纳米管的7.0%提升至NiO/TiO2纳米管的95.6%.

以Na2MoO4·2H2O和C2H5HS为原料, 采用水热法和光照法制备了MoO3/MoS2复合结构.使用透射电子扫描显微镜、X射线衍射、X射线光电子能谱仪和紫外可见分光光度计等手段表征了样品的形貌、结构和光致变色性能.结果表明：所制备的样品呈纳米线束状结构.当Na2MoO4·2H2O和C2H5HS比例为1∶3时, 样品呈黄色; 当Na2MoO4·2H2O和C2H5HS比例为1∶3以下时, 样品呈蓝色.所制备样品具有光致变色效应, 当Na2MoO4·2H2O和C2H5HS比例为1∶2时, 材料的光致变色性能最好.优异的光致变色性能归因于MoO3/MoS2复合结构具有合适的能带结构, 从而有效地分离光生载流子, 抑制了电子和空穴的复合.

为解决超短焦投影系统中自由曲面反射镜的设计难题, 提出一种适用于大视场成像光学系统的自由曲面设计方法, 即多视场优化迭代法.该方法以一个反射平面作为设计起始面, 基于多视场下物像的对应关系, 并根据反射面的法线方向, 通过加权优化迭代计算得到自由曲面反射面的形貌.采用基于该方法得到的自由曲面优化设计了一种折反式超短焦投影物镜, 可将0.65 inch的数字微镜器件芯片在230 mm投影距离处放大为100 inch的投影画面.物镜的调制传递函数在0.43 lp/mm处优于0.4, 最大畸变优于1%.该方法简单易行, 可为大视场成像系统中自由曲面的设计提供有益参考.

推导了离轴三反光学系统的线性像散平衡条件, 在此基础上采用倾斜母镜光轴的方法设计了大相对孔径时大视场像散校正的斜轴离轴三反光学系统.系统视场为5°×5°, 相对口径为1/3.1, 口径为250 mm, 波段为400~2 500 nm.将该系统与相同光学参数的共轴二次非球面离轴三反系统和共轴高阶偶次非球面离轴三反系统进行对比.结果表明斜轴离轴三反光学系统所有视场的光学传递函数在17 lp/mm处均大于0.73, 由于反射面采用圆锥曲面, 其在偏轴视场成像质量方面有明显优势.对斜轴离轴三反光学系统的加工与装调进行了分析, 其公差较为宽松, 验证了其结构实现的可行性.

基于广义惠更斯-菲涅尔衍射理论, 导出径向偏振螺旋贝塞尔光束的光场表达式, 研究了该光束的传输特性和传输过程中光束偏振态的变化, 及其通过扇形障碍物后的自重建特性.理论分析和数值计算发现：径向偏振螺旋贝塞尔光束在自由空间传输时, 在一定传输区域内, 光束以空心光束的形态绕光轴做离轴螺旋传输, 光束的发散角为零并一直保持着径向偏振的特性; 在光束的自重建过程中, 始终保持离轴螺旋传输特性, 随着传输距离的增加, 原本在遮挡区域消失的能量, 被逐渐衍射至障碍物遮挡区域的相反位置.

提出了一种对称艾里涡旋光束.在对称立方相位的基础上引入螺旋相位因子形成新的相位图, 加载该相位的高斯光束经傅里叶变换后产生对称艾里涡旋光束. 研究表明: 对称艾里涡旋光束出现自聚焦现象, 且由于轴上涡旋的存在, 其中心呈现中空现象, 涡旋结构携带的轨道角动量使光束在初始平面处发生旋转, 拓扑荷数越大, 中空结构越大, 旋转角度也越大, 而拓扑荷数的正负仅改变光束的旋向. 理论分析表明, 离轴涡旋在初始平面处, 因与光轴中心距离较远, 并不会影响对称艾里光束主瓣的能量, 即中心并无光强为零区域, 但随着传播距离的增加, 离轴涡旋逐渐出现在对称艾里光束其中的一个主瓣上.此外, 对称艾里光束还可以加载多个离轴涡旋, 能同时无损伤地捕获多个微粒. 该光束不仅具有自聚焦特性, 并且其中心呈中空结构, 同时还携带轨道角动量, 在光学微操纵与生物医学等方面有潜在应用.

采用时域有限差分法研究了多因素对光学介质薄膜表面冗余节瘤粒子微分散射截面随散射角的变化规律.对光学介质薄膜表面冗余节瘤粒子复合散射进行建模, 并针对典型半空间问题, 对总散射场进行分解并对相应的场相位进行求解, 给出网格剖分规则.将数值结果退化为冗余球体粒子, 与MOM (Method of Moments)矩量法进行详细比较, 验证程序的有效性.分析P偏振光入射下, 入射角、长短轴轴比和镶嵌高度h对Cu和SiO2镶嵌粒子微分散射截面随散射角的影响规律.结果表明：微分散射截面的最大峰值出现在入射角的镜面值角度; 在镜向散射区域附近, 对于扁平回转椭球体粒子微分散射截面随冗余节瘤粒子轴比的增大而减小, 扁长回转椭球粒子的规律相反; 在[-90°,-60°]散射角区域, 微分散射截面与冗余节瘤粒子镶嵌高度成正比, 镶嵌高度对介质粒子散射特性影响更大.

针对不同粗糙度表面反射光泄漏问题, 对Torrance-Sparrow模型进行修正, 建立了双向反射分布函数数学模型,数值计算了影响双向反射分布函数的各个因素, 通过实验对建立的数学模型和数值计算结果进行了验证.结果表明：影响反射信息的主要因素有镜面反射, 漫反射和介质的吸收, 镜面反射包括反射面反射率、反射面上微面元倾斜角概率分布函数、入射光入射到反射面的微面元入射角和反射角引起的遮蔽因子, 其中, 主要影响因素是镜面反射; 若选定入射角和粗糙度, 随着反射角从0到π/2变化, 反射面双向反射分布函数是以镜面反射角为均值的高斯分布, 当反射角大于1.4 rad, 反射面双向反射分布函数值急剧增加, 高斯分布发生变形; 若选定镜面反射角方向接收反射信息, 随着反射面粗糙度的增加, 反射面双向反射分布函数值单调下降, 且变化较快; 当粗糙度大于0.3时, 双向反射分布函数接近0.