基于中波红外320×240制冷型探测器设计了一套双视场红外光学系统，利用光学被动式补偿温度焦移，实现对系统的无热化设计。介绍光学系统结构参数的求解过程，用Zemax软件进行设计，并对该系统在不同温度下进行仿真以及像质评价。实验结果表明：光学系统采用二次成像结构，使用8片透镜在3.7 μm~4.8 μm波段实现了50 mm和200 mm两档变焦，满足100%冷阑匹配，在-20℃~60℃温度范围内，系统Nyquist频率处MTF值均大于0.5。

对比了典型消热差方法的优劣，探讨光学被动式消热差的基本理论。在此基础上，根据系统要求的温度范围-60℃～90℃，在常温初始结构的基础上，利用Zemax软件的多重结构和自动热分析功能增加其他温度结构，运用光学被动式消热差方法进行热平衡和像差平衡，最终设计出一套中波制冷型消热差光学系统。光学设计时以探测器冷阑作为系统孔径光阑，实现了100%冷阑匹配。结构材料使用铝，光学材料为硅、锗和硒化锌,将它们组合消热差。系统在-60℃～90℃温度范围内，最大离焦量小于1倍焦深，空间分辨率17 lp/mm处，光学调制传递函数(MTF)值均大于0.74，接近衍射极限，点列图弥散斑均未超出单像元尺寸范围。

设计一款实际工程应用的红外三视场光学系统，其中大中视场利用透镜组切换变倍，小视场和大视场利用反射镜切换变倍。设计中采用二次成像的方式，3个视场共用二次成像透镜组,保证100％冷屏效率，减小第1片透镜的过口径。同时，采用非球面技术校正系统的球差和彗差，通过光学设计软件CODE V仿真，得出最大的点列斑为11 μm左右，并且MTF接近衍射极限，成像质量完全满足使用要求。最后，该系统利用反射镜折叠光路实现了系统结构紧凑、体积小的特点。

基于对多层衍射元件的衍射效率的理论分析，设计了用于头盔显示器的含有多层衍射元件的60°视场折/衍射混合目镜系统。系统在设计波段和整个视场范围内衍射效率均在90 %以上，提高了光能利用率和像面对比度。目镜的出瞳距离为22 mm，出瞳直径为8 mm。调制传递函数（MTF）在25 lp/mm时全视场均在0.38以上，满足VGA分辨率要求。目镜中畸变为4.8%，垂轴色差最大为10 μm。整个系统结构紧凑，镜头总长26.8 mm，最大直径16 mm，全系统质量仅8 g，实现了光学系统的轻小型化。

针对红外搜索跟踪系统中全范围快速搜索和跟踪成像视场不同的问题，采用线列探测器配合高速转台和高均匀性扫描器，设计实现了一种360°全方位搜索和跟踪的成像系统。实验结果表明，该系统成功实现了360°全景扫描，在搜索到目标后可快速转入跟踪成像，由搜索转入跟踪成像状态的稳定时间小于1.94 s，系统性能指标达到实用要求。

为了满足市场对超薄手机镜头的要求，运用光学软件CODEV，结合非球面理论，设计一款新的超薄800万像素手机镜头。该镜头由4片非球面塑料镜片，1片滤光镜片和1片保护玻璃组成，其中第1片透镜是正透镜，第2片镜片是负透镜，第3片镜片是正透镜，第4片镜片是负透镜，且光阑位于第1片透镜的前面。镜头光圈值F为2.4，视场角2ω为65.5°，焦距为3.731 5 mm，后焦距0.31 mm，镜头总长度为4.6 mm，在最高频率1/2处大多数视场的MTF值均大于0.5，畸变小于2% 。

弹光调制干涉具调制的干涉光被探测器接收后输出高速变化的微弱电信号，能否将该电信号提取并放大输出对弹光调制-傅里叶变换光谱仪的研制至关重要。通过对调制干涉光进行理论分析，设计一种具有高信噪比和较高带宽的光电转换放大电路，主要由电源电路、光电转换电路、放大电路、理论通频带为100 kHz~3.5 MHz的带通滤波电路组成。实验结果表明：设计的电路能够将探测器输出的最大频率为1.6 MHz的信号放大至670 mV左右，实现了将探测器输出的微弱速变电信号从背景噪声中有效提取与放大，为后续傅里叶变换提供可靠数据。

在结构设计解决周视光电观瞄设备的动态密封问题后，动密封所带来的摩擦力矩就成为周视光电稳定的重要制约因素。通过对3种典型应用动密封原理的周视光电观瞄设备分析研究，着重分析了动密封的摩擦力矩对结构、稳瞄精度的影响，并结合实际工程应用给出3种动密封形式所对应的摩擦力矩分析和估算方法，提供给稳瞄和结构设计人员，以期对后续稳瞄系统设计有所帮助。最后在同一周视转台上，对3种动密封进行了试验验证并进行分析计算，得出磁流体是解决周视光电设备动密封较好形式的结论。

为研究大面积激光投影光刻的调焦，利用Zemax光学设计软件模拟离焦对光程差（OPD）和调制传递函数（MTF）的影响，分析二者对投影曝光图形质量的影响，给出系统最大的离焦量值。提出一种利用显微镜的调焦方法，分析此方法的调焦误差主要来自于显微镜景深，根据景深表达式和系统最大离焦量值，选择一款景深不大于系统最大离焦量的显微镜来构建调焦系统，并基于该调焦系统进行光刻实验。实验结果表明：利用该方法对投影成像光刻进行调焦，无论是否离焦，边缘视场与中心视场的MTF均有差异，分辨率也有差异，但这种差异不影响光刻图形的质量。

为了实现全天候多波段远距离实时图像监控，设计了具有微光、红外和可见光融合的光学前端，对多源图像进行实时配准研究。在平行光轴的基础上，通过计算不同视场图像的成像视差，计算仿射变换需要的参数，采用双线性内插算法弥补红外在成像方面与可见光图像的差别，将红外图像的变换制作成查找表存储在图像处理器DM642中，系统通过硬件查找表可以快速实现不同图像的配准变换，实现同步视频的实时配准与融合。实验表明：该设计能够准确地实现多源图像的实时配准，系统经过图像配准、图像融合和伪彩变换处理后的时间约为24.3 ms，系统探测距离大于3 km。

通过设计的镜片自动检测光学硬件系统，给出了树脂镜片精细杂质图像处理措施，将图像差分法应用于镜片图像边缘的去除；同时解决了镜片检测灰尘影响的问题；另外运用改进型的归一法解决杂质计数问题，为自动化分级分拣系统的研发提供重要的数据支持，为镜片缺陷检测系统的后续分级分拣的数字控制模块提供了可操作性。该检测系统检测精度为0.03 mm、速度为1片/s，检测误差控制在5%。

为实时获取战场激光、大气污染物气体、毒气等待测物光谱信息的光谱复原，设计了基于现场可编程门阵列(FPGA) 的实时光谱采集分析系统。该系统选用迈克尔逊干涉具和碲镉汞探测器获取待测光谱信息，将采集到的数据传入FPGA。利用硬件描述语言VerilogHDL在Xilinx FPGA芯片上依据傅里叶变换(FFT)实现干涉条纹到光谱数据的实时处理。实验结果表明，FPGA实际计算1 024点基2-FFT频谱分布信息与Matlab理论计算结果相同，可满足实时光谱探测的要求。

在分析经典的Zoom-FFT算法基础上，提出一种基于傅里叶变换光谱技术的Zoom-FFT算法，用matlab仿真常规FFT算法和Zoom-FFT算法，对不同采样步长的干涉条纹进行数据处理，通过反演出的光谱曲线图和原始光谱曲线图可以看出：采样步长小于20 μm时，FFT和Zoom-FFT算法都可以反演出光谱；而当采样步长大于20 μm且小于33.3 μm时，FFT算法未能反演出光谱，而Zoom-FFT算法仍然可以反演出光谱。

采用离面位移测量精度达到10 nm~20 nm的电子散斑干涉测量系统验证了双目视觉数字散斑相关测量系统的离面位移测量精度。分别用电子散斑干涉测量系统和双目视觉数字散斑相关测量系统同时测量了平板离面位移，并对所测量的位移最大值进行了分析处理及比较。结果表明，双目视觉数字散斑相关测量系统的物体离面位移分布云图与电子散斑干涉测量系统的结果基本相同，且两者位移均方根相差为2.76 μm~3.56 μm，相对误差为4.59%~7.60%。因此，当被测量物体的离面位移大于4 μm时，双目视觉Q400测量系统精度可达到电子散斑干涉测量系统的精度。

绝对测量技术去除了干涉仪参考面面形误差，可实现光学材料光学不均匀性的高精度测量。对现有主要光学材料光学不均匀性绝对检测技术进行了总结比较，针对像素错位、干涉图分辨率、干涉仪测量重复性、样品厚度以及折射率测量等因素对光学不均匀性绝对检测的影响进行了实验分析。实验结果表明：干涉仪重复性是光学不均匀性测量的主要误差。样品翻转测量法、样品直接透射测量法、平行平板样品测量法3种测量方法均可实现光学不均匀性（RMS）10-8检测精度。

为规范大气相干长度的测量，保证测量数据的准确性，通过对大气相干长度测量中采样频率、采样时长、曝光时间等关键问题的分析，并结合国内外相关研究成果，确定了差分像运动测量仪的采样频率应不低于100 Hz、采样时长应不短于20 s ，单帧图像曝光时间应不长于沿测量光路的格林伍德时间常数，样本数应不少于2 000帧。

针对航空发动机装配过程中叶尖间隙的测量，设计了一种影像测量系统，采用基于“PC+运动控制卡”的开放控制系统，通过PID控制实现对相机位置的精确控制。提出基于相机位置的精确快速完成相机标定，可在线准确测量出叶尖间隙值。相比其他光学影像测量系统及传统塞尺，该测量系统无需高精度标定参考物，可实现装配过程在线测量，测量范围为1 mm时误差小于20 μm。

针对单强度调制偏振光谱测量技术存在混叠且有效光程差有限的缺点，提出双强度调制偏振光谱测量新方法，该方法通过双强度调制干涉信号的和差处理，即保证单强度调制偏振光谱测量的优点，又能有效消除混叠现象，提高有效光程差和光谱分辨率，再对和差处理后的干涉信号进行傅里叶变换即可得到被测偏振光谱。文章对双强度调制偏振光谱测量方法进行了理论推导，并通过MATLAB对模拟入射光偏振光谱的干涉信号和傅里叶反演光谱进行仿真；仿真结果显示，该方法和差处理后可有效消除混叠且有效光程差提高一倍。通过理论分析和仿真验证了该方法的可行性，为进一步的工程实现提供理论支撑。

针对微光像增强器噪声特性，理论上分析了微光像增强器背景光子噪声特点。设计了采用光子计数法及使用类针孔微弱光照度计对微光像增强器的背景噪声进行测量的方案。在三代微光像增强器信噪比测量装置中，采用类针孔微弱光照度计对微光像增强器无光照时荧光屏上Ф0.2 mm光斑的照度进行了测量实验。对于空间特性，以荧光屏中心点为圆心的同心圆上照度值不均匀性小于1%；对于时间特性，在微光像增强器工作大约270 min后，荧光屏中心点照度值会达到稳定状态。以各个空间点和时间点照度值为基础分析了无光照时像增强器背景噪声在时间和空间的分布特性，为评价微光像增强器的噪声特性提供了数据支持。

为了解决三代像增强器管内阴极灵敏度下降问题，用质谱计对激活工艺过程进行质量检测，并确定了激活工艺参数，通过对阴极原子级洁净表面获得和激活铯、氧提纯工艺参数优化研究，对制备的透射式GaAs阴极光电发射稳定性进行在线试验，结果表明：在10-9 Pa真空环境中，优化工艺激活的光电阴灵敏度(1 500 μA/lm)稳定，而且500 h不下降，铟封到管内的阴极灵敏度下降与真空度降低和有害气体污染有关。

日盲型紫外像增强器在空间光学探测、环境监测、战略**等方面上具有非常广阔的应用前景，参照微光像增强器信噪比测试原理，设计了紫外像增强器信噪比测试系统，并给出其测试条件，利用研制的信噪比测试仪研究了微通道板两端电压对日盲型紫外像增强器信噪比的影响，测量了其关系曲线。结果表明，在小于850 V区域内，紫外像增强器的输出信噪比随着MCP两端电压的增大而增大；当超过850 V时，MCP两端电压增大，紫外像增强器的输出信噪比基本维持不变。

针对通过胶粘固定的口径为230 mm非球面反射镜的装调要求，选用无像差面型检测法，通过对3个关键过程，即底板与裸镜的粘接，镜框与底板的连接，光学定心加工的实验研究，提出使粘接应力及结构件传导应力变化量达到最小的微应力装校方法，并通过光学定心加工标定出非球面反射镜的光学中心。装调结果表明：对于口径为230 mm的非球面反射镜，微应力装调后面型精度≤0.02λ；光学中心偏心量≤5 μm，分划板表面与光轴垂直度误差≤2.5″。

舰载机降落着舰时，有时需要用到光学着舰助降系统。本光源模拟器采用卤钨灯光源，紧贴卤钨灯光源加入光学均匀器，然后依据光源的出射光束分布情况加入光束整形锥腔，再依据光源视场角的要求，在一定距离处加入柱面阵列光学系统，在光学柱面阵列系统后加入光学滤光器和光学衰减器就形成了光学助降光源模拟器。本光源模拟器具备红、绿、黄三色光谱，水平视场达到30°，竖直视场达到20°，光强大于10 000 cd，光源均匀性优于8％，光强可调。

运用激光雷达方程和Fernald方法，对西藏那曲地区和北京地区对流层气溶胶的微脉冲激光雷达(MPL)探测数据进行时空反演和比较，结果表明：气溶胶散射比廓线有着较为相似的结构分布，分层锯齿结构非常明显，主要包括贴地层、气溶胶混合层和气溶胶对流层。那曲测站上空气溶胶散射比在无云条件下最大值基本上保持在2.0左右；在测站上空均存在密度较大且较厚的积云；夏季的混合层或残留层(浅蓝色部分)高度抬高；夏季对流层低层积云的云量和积云出现的概率较冬季要少。

从Mie散射理论出发,利用单气泡散射理论模型研究了激光前向散射特性以及激光前向散射光轴周围激光照度分布状态。选用波长为632.8 nm的激光，在不同介质和不同压强下测量并分析了气泡幕的散射光照度。研究表明，激光前向散射光主要分布在离光轴0.588°的范围内，其沿激光光轴呈轴对称分布，并且沿光轴方向截面分布为高斯分布；在考虑水体自身散射时，0.006 MPa、0.008 MPa和0.010 MPa下，各个散射角被散射掉的光大概占激光前向散射照度的35%、45%和55%，可得到无论考虑水体自身散射与否，激光前向散射光与压强皆成反比。

为了获得高功率高效率3 μm～5 μm中红外激光输出，利用双声光调Q晶体，通过高重复频率驱动调Q同步技术和LD侧面泵浦双棒串接技术，获得高功率高光束质量1.06 μm激光双端输出，外置起偏器获得4束激光输出，利用波片偏振旋光原理，实现4束偏振态一致的激光输出，泵浦非线性晶体PPLT进行频率变换，实现高功率3 μm～5 μm中红外激光输出。在电源输入电流30 A、调Q驱动频率10 kHz的条件下，获得最高功率10.6 W的3.9 μm中红外激光，1.06 μm～3.9 μm转化效率为9.5%。实验结果表明：通过双声光调Q技术和LD侧面泵浦双棒串接技术，可以实现4束高重复频率窄脉宽1.06 μm偏振激光输出，泵浦PPLT可获得高功率3.9 μm中红外激光输出。

针对目前四频差动激光陀螺光学解调方案可靠性和温度特性差的特点，介绍一种基于FPGA的数字拍频解调方案。分析了四频差动激光陀螺数字拍频解调对电路系统的需求，对数字拍频解调的关键部件——低通滤波器进行了设计与实现。根据四频差动激光陀螺的特性参数计算滤波器的通带截止频率及阻带截止频率，使用MATLAB的滤波器设计和分析工具FDATool完成了有限冲击响应（FIR）数字滤波器的参数设计，并利用Xilinx公司的FPGA集成开发环境ISE实现FIR数字滤波器的片上系统设计。仿真和实验结果表明，所设计的FIR数字滤波器对四频差动激光陀螺的和频分量衰减达到-66 dB，满足四频差动激光陀螺拍频解调的需求，并有助于实现四频差动激光陀螺的小型化和数字化。

鉴于红外装甲目标检测中红外图像对比度低、背景复杂，导致图像的信噪比低而难于进行目标的检测，提出一种基于小波和改进的分形理论相结合的背景抑制方法。针对红外图像呈现的相关性强的特点，利用小波分析将图像中的低频缓变背景滤除，得到包含目标和强边缘杂波的图像；又由于目标分形维数对尺度的敏感程度高于边缘杂波的分形维数，提出通过计算图像在不同尺度内不规则因子的变化率来进一步抑制背景中的边缘杂波。实验表明：该算法能显著提高图像的信噪比(信噪比增益在2左右)，对背景边缘有很好的抑制效果。

针对大气透过率是影响红外系统作用距离的重要因素，且随大气环境、波长、距离等因素而复杂变化难以精确描述，研究了大气透过率对红外系统作用距离的影响，提出一种基于离散光谱透过率的红外系统作用距离模型。使用MODTRAN 软件计算出波数间隔为1 cm-1的离散光谱大气透过率，建立大气透过率数据库，计算出波数间隔为1 cm-1的光谱区域内目标的红外辐射功率。应用该模型对实际的战斧巡航导弹进行计算，结果表明该模型具有更高的计算精确度与可行性。

利用有限差分法和耦合模理论分析了光子晶体光纤结构参数等因素对光栅周期调节长周期光栅谐振波长作用的影响，结果表明：对于同种光纤，可通过增大或减小光栅周期来减小或增大谐振波长；若占空比f增大或减小，可通过减小或增大光栅周期来保持谐振波长不变；若比例系数M增大或减小，可以成正比增大或减小光栅周期来保持谐振波长不变；在只是空气孔层数增加的系列光纤中，在长波处，为取得同一谐振波长，光栅周期需要增大数个μm，但在短波处则正好相反；内层气孔对光栅周期调节谐振波长的作用影响较大，而第5层以外各层的影响十分微弱。综合利用这些规律，可以快捷地选择合适的光栅周期，高效率地制备有合适谐振波长的光子晶体光纤长周期光栅。

提出并实验验证了一种基于马赫泽德干涉仪(MZI)的高灵敏度光纤折射率(RI)传感器。传感头由一段单模光纤(SMF)夹熔在两段较短的细芯光纤(TCF)中组成TCF-SMF-TCF结构，其总长度为9 mm。由于光纤纤芯失配导致的纤芯模和包层模发生干涉，干涉谱对传感头外部折射率的响应极其敏感。使用该传感器检测具有不同折射率的甘油水溶液，实验结果显示：传感器干涉谱的共振波长随环境折射率的增大向长波方向漂移，其折射率灵敏度在1.33 RIU～1.38 RIU范围内约为159 nm/RIU。该传感器具有结构简单、易于制造、成本较低、灵敏度高、抗电磁干扰能力强等优点，在生物化学与环境监测等领域具有较大的应用潜力。

针对外调制星间微波光子链路输出信噪比优化问题，建立了基于双电极马赫-曾德尔调制器的强度调制直接探测星间微波光子链路模型，通过优化调制器调制方式来提高链路性能。用数值模拟方法得到了单边带、双边带和推挽式3种调制方式下链路输出信噪比，利用曲面投影法求得了最优调制方式时一定信噪比要求下发射端所需最小光放大器增益和对应的调制器直流偏置相位。结果表明：相同输入射频信号功率和发射光功率情况下，双边带调制输出信噪比比单边带调制高3 dB，低直流偏置相位推挽调制可以进一步优化输出信噪比。输入射频信号功率为-20 dBm，输出信噪比为17.3 dB时，所需最小光放大器增益为43.9 dB，对应的直流偏置相位为0.87π。