星等的大小代表了星体对于人眼的可观测程度。卫星星等的理论计算对于观测跟踪卫星光学系统设计等具有重要的指导意义。结合天文学、轨道动力学、辐射度学、光度学和计算数学理论，建立了计算人造卫星星等的物理数学模型。计算了卫星的可见光反射能量随轨道运行的瞬时特征，结合人眼的视觉特性，推导出了轨道卫星星等的计算方法，并进一步针对卫星表面为灰体的情况给出了一种计算卫星星等的方法及星下点卫星星等的周期性计算曲线，结果表明：星下点观测的卫星星等随卫星在轨道上位置的变化非常显著，对同一卫星，不同星下点观测到的星等差异仅在日照区就可达5个等级之多。

为了提高舰载光电系统的环境适应性，在分析舰船环境对光电系统影响和危害的基础上，开展环境适应性设计的研究，提出对各组成设备进行加固优化与隔离防护，从材料选用、光学系统设计、结构设计和三防工艺技术等方面，给出了提高抗腐蚀性能、耐温度变化、抗冲振能力具体的设计方法和解决措施。产品试验和使用效果表明：采用耐蚀材料、结构优化和三防措施改善了设备的防护能力；采用复合材料隔热罩最大降低了太阳辐射附加温升8.1 ℃，改善了光电传感器的工作环境；采用机械被动补偿措施使在-40 ℃～+60 ℃温度范围内最大弥散斑均方差半径小于探测器像元间距，保证了红外热像仪的成像质量；方位轴系加装推力轴承提高了径向刚度25.9%，实现了冲振条件下系统稳定工作。

针对长焦距小型化电视的设计要求，采用摄远型光学结构压缩系统的轴向尺寸，使摄远比达到了0.53，并对系统进行了消杂光及光机无热化设计，通过合理地设置光阑减少系统的杂散光，选择合适的结构材料与光学材料相匹配，在整个工作温度范围（-40 ℃～+65 ℃），像面漂移量在焦深范围内，20 lp/mm时系统的MTF在0.7以上，点列斑4.7 μm，小于探测器的像元尺寸6 μm，光轴稳定性达到了0.04 mrad，系统无需调焦便可满足高低温等恶劣环境下的像质和光轴稳定性要求。试验结果表明：探测和识别特定目标距离均达到了指标要求。

针对如何实现多视场电视观瞄具光轴平行性和稳定性的调校，根据其光机系统结构，提出了CCD靶面与双光楔相结合的调校技术方案，通过设计和搭建安装基面与光轴平行的装调装置，用平行光管自准直法建立了统一的装调基准。通过分析双光楔调校原理，对调校技术方案进行优化，添加了双光楔配对和粗调误差控制的工艺要求。经过装调、测试验证，光轴平行性可达0.1 mrad，光轴稳定性可达0.05 mrad。

受光学材料折射率、光学加工以及光学装校等误差因素的影响，宽视场短焦子系统和窄视场长焦子系统组成的两挡变焦光学系统的实际像面均偏离理想像面即发生像面漂移，但漂移量不同，导致两子系统产生不齐焦现象。为了解决此问题，以某型载荷中波红外两挡变焦光学系统设计为例，分析齐焦设计时定长焦调短焦和定短焦调长焦两种设计方案的优缺点。比较了定长焦调短焦3种方法，即调变倍组与补偿组、调变倍组和调补偿组的补偿量与长焦焦距变化情况，定短焦调长焦3种方法，即调变倍组与补偿组、调变倍组和调补偿组的补偿量与短焦焦距变化情况，指出定长焦调短焦、单调补偿组的齐焦设计方案为最优方案。

基于同轴三反射光学系统基本原理，将孔径光阑和视场适当偏心，设计了一个灵巧型多光谱离轴三反光学系统，系统焦距1 200 mm，并对设计结果进行了像质评价。实验结果表明：系统在可见波段（0.486 μm ~0.656 μm）80 lp/mm空间频率下MTF>0.5，中波波段（3 μm ~5 μm）15 lp/mm空间频率下MTF>0.35，全波段范围内最大RMS为2.096 μm。系统中面型采用二次非球面，且整个系统仅有孔径光阑偏心，3个反射镜位置均无偏心和倾斜，降低了加工成本及装调难度。

为了对LED教室灯具配光，建立了复合抛物面集光器配光系统。分析了LED光源发光特性，阐明了对LED光源进行二次配光的必要性。建立了三维复合抛物面集光器（CPC）模型，并由边缘光线原理计算得出三维复合抛物面集光器（CPC）模型各参数与最大出射半角θm的关系，分析了θm的制约因素。由阅读灯照度均匀度要求，确定了复合抛物面集光器（CPC）模型各参数的值，在光学分析软件Tracepro中建立了CPC模型，将LED光源置于其焦平面上，结合教室桌面与灯具距离，模拟了基于CPC配光的LED教室灯具的照度分布。试验结果表明，CPC配光系统最大出光半角为30°时，光照均匀度超过0.7，满足建筑照明设计标准 GB 50034-2004对阅读照明的要求，该灯具有效光通可达95%以上。

为满足4k电影的短距离放映需求，设计一款广角放映镜头，可适配于采用三芯片DMD技术的放映机，最大投射比可达0.75∶1，相对孔径为1/2.2，反远比为4.6∶1，在66 lp/mm的Nyquist频率处，MTF值为0.42，边缘视场MTF值为0.25。最大横向色差为3.7 μm<0.5 pixel,最大畸变为2.5%。分析了反远距形式的特点，给出了合理选型、分配光焦度和计算关键技术参数的方法，以及像差校正过程中应注意的问题。最终设计出了符合设计指标的具有高分辨率的广角放映镜头，该镜头结构简单、成本低。

为深入研究舰船泡沫-水两用幕的光衰减机理，建立了基于几何光学的泡沫滴/水滴光散射强度分布计算模型。利用该模型对液相折射率m2为1.20至1.50范围内、气泡相对半径r为0至0.99的球状泡沫滴和水滴、散射角τ为1°至10°内的光散射强度进行了数值计算。结果表明，泡沫滴/水滴对可见光具有强烈的散射作用，τ内的散射强度与入射光强度之比Tτ随τ的增大而提高，最高可增加2个数量级；随m2的增大而降低，m2从1.30至1.40变化，Tτ降幅最高达11.6%；随r的增加先下降而后提高，达到最低0和最高80.8%；Tτ最低值对应的最优气泡半径ro随m2的降低和τ的增大而提高，从0.1最多增至0.4。该结论可为舰船泡沫-水两用幕技术的发展提供必要的理论基础。

目前，关于影像信息量的研究大多是注重信息量的计算模型，很少涉及空间分辨率与信息量之间的定量关系。为了对不同空间分辨率的遥感影像进行定量化评定，以信息论和模糊数学为理论基础，信息熵为测度，通过计算不同空间分辨率水平的全色影像和多光谱影像的信息量，对信息量与空间分辨率的关系进行直接量化模拟。结果表明，影像信息量随着空间分辨率的降低呈指数降低，空间分辨率在原影像基础上每增加一倍，影像信息量相应增加3~5倍。

在基于干涉光谱成像的气体成分实时遥测应用中，为了对推扫获取的原始干涉数据进行快速、有效的反演处理，提出一种结合计算统一设备架构（CUDA）的并行时空混合调制型长波红外干涉光谱反演算法。通过分析自主研制的时空混合调制型干涉光谱仪的数据获取模式，结合CUDA平台实现了并行反演算法。实验结果表明，基于CUDA平台的并行计算技术比仅使用CPU进行计算在效率上提升了5至20倍，为后期进一步做光谱识别打下了基础。

为了有效改进图像加密效果及其安全性，在对基于混沌系统及位运算的图像加密算法进行研究的基础上，提出基于组合混沌和位运算的图像加密算法，算法先对灰度图像进行位平面分解，考虑到图像的高四位含有较大的信息量，对高四位分别进行置乱变换，再与低四位构成一个整体进行置乱变换，然后组合置乱后的位平面，并与二值矩阵进行异或运算得到密文图像。实验结果表明，与像素位置置换算法和二维数据加密算法比较，改进算法具有更好的加密效率，密钥空间接近2192，具有较好的安全性，且能较好地抵御椒盐噪声和高斯噪声攻击，有效恢复出原始图像。

基于浸没透镜设计了一种超分辨成像系统，利用SU-8光刻胶和直径为4.87 μm的微球实现纳米级别的超分辨成像。介绍微球成像放大率的求解方法，并通过软件模拟了超分辨成像系统的焦距。通过改变SU-8胶的厚度（从3.4 μm到0），系统的放大率也随之改变（放大率从1.6x到2.6x）。实验表明：SU-8胶的厚度对微球放大率有直接影响，通过该系统可以在普通光学显微镜下观察到蓝光光碟条纹。

为了提高卡塞格林望远镜像斑耦合多模光纤的效率，采用一种在光纤前端放置锥形导管的方法，利用光线在锥形导管中经过多次内全反射耦合进多模光纤中，通过几何光学理论及数值方法分析卡塞格林零视场光束像点的最大耦合角，确定锥形导管初始结构参数。将此参数作为Zemax仿真的初始条件，进行优化仿真计算和误差分析。结果表明：加工误差控制在0.03 mm之内，采用锥形导管后可以使像斑整体耦合效率较直接耦合提高4倍以上。

采用量热法的高能激光能量计用于测量能量大于50 kJ的连续波高能激光能量，通常用已知功率的连续激光开展激光能量计的光电校准需要激光照射时间超过20 min，而由于热损失等原因，进行长时间激光能量校准时，校准不确定度高达12%。以量热式平面吸收高能激光能量计为模型，从理论上分析了热辐射、热对流对连续波高能激光能量测量结果的影响，得到了较准确的平面吸收腔激光能量计冷却数学模型，实现了能量计热损失补偿，并通过建立相应的实验装置验证了该模型，用其对装置的测量结果加以修正，可使光电校准的测量不确定度减小到1%以下。

管道内表面的缺陷检测对于保证介质运输安全，避免泄漏和爆炸事故非常重要。在分析三维点分布几何特征的基础上，对基于视觉检测获得的管道内表面三维点,通过判断同一圆周上相邻点法线夹角变化检测管道内表面的凹凸缺陷，采用空间点相邻三角平面法线加权平均获取空间点的法线。依据三维点呈圆周分布的特点，采用相邻圆周上点顺次连接进行快速三角剖分。基于上述方法对实际测量的管道内表面三维点和仿真三维点分别进行了凹凸缺陷检测和三维重构。该方法能实现径向变化小于0.1 mm的管道凹凸缺陷的检测和识别,三维测量精度为0.081 mm。

提出了一种利用俯视SEM图像检测矩形光栅占宽比的新方法。对目标检测图像进行灰度轮廓预处理，接着进行基于动态规划和最小二乘样条逼近的边缘检测，最后按照设定的量化评价标准，计算出目标区域内的光栅占宽比的平均值和标准偏差。使用该方法不仅可以快速准确地计算出目标区域内的光栅占宽比和量化评价占宽比空间分布均匀性，也避免了具有破坏性的制样过程，弥补了传统断面测量方法的不足。编写了用于矩形光栅占宽比检测的图像处理软件GradUI。使用此软件对一组1 200 线/mm矩形光栅的俯视SEM图像进行检测分析，发现平均占宽比与灰度轮廓估算值的均方根偏差为0.017 3。结果表明，基于俯视SEM图像的矩形光栅占宽比检测方法是有效可行的，同时，也验证了软件的可靠性。

针对双目系统中各自光路的偏转和2条光路之间的不平行会增加轴外像差，降低成像质量，并造成双目视觉的不同一性，引起使用者的不适，提出一套激光检测和评价双目系统光路偏转和平行性的方法。将待测系统拆分成元件，先检测元件的光路偏转和平行性，然后逐步组合元件，实验测得待测双目系统光路存在0.5 mm以上的光路偏转距离，入射平行光出射系统后夹角达0.8°左右。结果表明，该方法可以应用于显微镜工业生产和检测之中。

系统的成像波段分别为近紫外（300 nm~380 nm）波段，可见光（380 nm~760 nm）波段和近红外（760 nm~1 100 nm）波段。通过搭建与该光学系统相对应的辐射定标装置，建立辐射定标数学模型，对已研制的三波段成像光学系统进行绝对辐射定标的研究。针对系统成像波段光谱范围较宽的特点，以分波段辐射定标方法对于测量得到的定标数据，采用最小二乘线性拟合法进行处理，对算法进行修正，再对定标数据进行处理。通过实验验证了2种方法的定标精度，结果表明：修正后的算法可得到精度更高的定标曲线，测量相对误差不超过5%，定标结果满足实际工程需求。

为实现图案布匹瑕疵在编织过程中的实时检测，提出一种通过区域差影自动分割瑕疵区域的检测方法。通过求取水平和竖直两方向距离叠加函数极值，并对极值做权重分析，精确求取纹理基元周期；根据所求纹理基元周期确定区域差影的区域大小，并对区域差影图像求取梯度，再进行标记分水岭分割，能够快速准确地分割出纹理瑕疵区域。实验结果表明：该算法能够准确地检测出纹理布匹瑕疵的位置，检测一帧用时200 ms，准确率均达98%以上，实时性强，检测精度高，满足工业现场要求。

基于光谱匹配算法是可调光源产生种类多样光谱分布的必要手段，提出Levenberg-Marquardt算法作为光谱匹配算法。利用峰值位置等间隔均匀分布的理想高斯曲线作为LED发光光谱，借助该设定的一系列曲线仿真模拟目标光谱，实验表明，利用该算法模拟太阳、沙漠、海洋和植被的相对光谱分布，相对光谱差异分别为2.17%、1.76%、2.03%、1.7%。利用实验室现有LED的发光光谱进行验证实验，匹配3种目标光谱的相对差异均小于5%。实验结果表明，Levenberg-Marquardt算法可应用于光谱可调积分球光源的光谱匹配。

对传统的微光像增强器与向短波红外延伸的InGaAs光阴极像增强器进行了比较，分析了通过调节组分而使响应波段覆盖夜天光辐射主要波段的InGaAs材料特性，揭示了以InGaAs半导体材料为光阴极的像增强器将在夜间具有更高的量子效率和响应度。介绍了InGaAs器件技术的国内外研究现状，InGaAs光阴极微光器件在短波红外波段的辐射响应是传统像增强器的100~1 000倍，InGaAs全固态探测器可在0.4 μm~1.7 μm宽光谱成像，在0.9 μm~1.7 μm范围的量子效率大于80%，表明该器件在激光探测、远距离定位与跟踪、情报侦察、夜间辅助驾驶等方面可以获得广泛应用。

微通道板作为二维位置灵敏阳极光子计数探测器中的电子倍增器件，其增益特性直接影响探测器的成像性能。搭建了系统测试平台，测量了微通道板的增益随电压变化曲线，并获得了3块微通道板叠加后的脉冲高度分布曲线。根据测试结果以及脉冲高度分布曲线的能量分辨率与探测器增益的均匀性之间的物理关系，选择合适电压值和增益对探测器的性能进行优化，探测器分辨率由3.56 lp/mm 提高到4.49 lp/mm ，获得了清晰图像，为探测器的研制提供了技术支持。

为了降低聚合物/液晶光栅的散射损失，并消除光栅的偏振依赖性，选取了低官能度的光敏单体作为反应体系，并逐步提高光栅的制备温度。首先选用五官能度的DPHPA （dipentaerythritol hydroxyl pentaacrylate）、双官能度的PDDA（ phthalic diglycol diacrylate）以及单官能度的NVP （N-vinylpyrrolidone）作为反应体系；其次，在制备过程中在光栅的后面放置加热台，逐步提升制备温度。实验结果表明：当制备温度上升到62 ℃以上，光栅有更多（36%）的液晶析出，相分离比常温下制备时要更完全一些，而且高温下制备的光栅其平整度更高，从而使光栅的散射损失比常温下减小了66.7%，器件的SEM图片也进一步证明了这个结论。同时高温制备也消除了液晶光栅的偏振依赖特性。

针对传统单磨头磁流变抛光技术的不足，提出了一种新的双磨头磁流变抛光方法，并研制了一台八轴数控双磨头磁流变抛光机，具备了大口径平面、非球面及连续位相板的超精密、高效率加工能力。分别研究了大、小磨头材料去除特性及面形修正能力，不仅获得了稳定、有效的大、小抛光斑，而且获得了超精的大、小平面工艺样件。50 mm小平面经小磨头一次连续抛光，在45 mm内其面形精度PV由0.21 λ收敛至0.08 λ、RMS由0.053 λ收敛至0.015 λ；430 mm×430 mm大平面经大磨头3次迭代抛光，在410 mm×410 mm内其面形精度PV由0.4 λ收敛至0.1 λ、RMS由0.068 λ收敛至0.013 λ。由此表明，所研制的双磨头磁流变抛光机床具有较好的材料去除特性和较强的面形修形能力。

介绍了Li2O-Al2O3-SiO2微晶玻璃的加工特点。基于纳米划痕技术对Li2O-Al2O3-SiO2微晶玻璃进行了纳米划痕实验，测得微晶玻璃材料脆延转变临界切削深度和临界载荷的平均值分别为125.6 nm和29.78 mN。将实验所得临界切削深度值与基于压痕断裂力学模型建立的脆延转变临界切削深度计算值进行了对比，结果表明，T. G. Bifano基于显微压痕法给出的临界切削深度计算值与实验结果差别较大，结合实验结果对其公式进行了修正；基于压痕断裂力学模型建立的延性域磨削临界切削深度计算值与实验结果相差较小，并分析了产生差异的原因。

提高太阳能电池光电转换效率的一个重要途径就是提高它的光子吸收能力。在传统非晶硅薄膜太阳能电池中加入了金属光栅，设计出一种新的复合电池结构。基于严格耦合波分析矢量衍射理论计算了该结构的吸收光谱和增强因子；讨论了光栅宽度、入射光角度和入射光偏振态对吸收的影响。结果显示，设计的太阳能电池结构能够显著提高光的吸收率，在TM偏振光入射条件下，该结构的吸收增强因子最高可达40%；在其他偏振态光线入射时，其吸收增强因子也可达到16%左右。

宽谱段红外光学系统可以获取宽谱段的图像信息并增大目标信息获取程度。从红外光学系统的简洁性出发，对红外光学系统进行设计，系统仅由4片球面透镜组成，实现了4.4 μm~8.8 μm波段清晰成像， F#为2.68，达到了100%的冷光阑效应。采用被动消热差方式通过合理选择镜片材料及公式推导最终实现了各个波段内的消热差，镜筒材料为钛合金，透镜采用硒化锌（ZnSe），锗（Ge）及硫化锌（ZnS）材料，给出20 lp/mm处系统在各个波段在-40 ℃~60 ℃的工作温度下的调制传递函数（MTF），以及各个波段下的光学系统畸变值。实验结果表明：设计的宽谱段红外光学系统结构简单，满足设计要求。

鉴于复杂大气条件下的红外系统作用距离难以精确、实时地计算，提出一种建立红外系统作用距离实时计算系统的方法。通过将MODTRAN软件与基于光谱等分法建立的红外系统作用距离模型有机地结合起来，实现对于MODTRAN软件自动写入配置及调用计算,简化了大气模型的配置方法，并能够自动读取MODTRAN生成的结果输出文件。对某探测目标在不同海拔高度（1 km~6 km）及不同降雨强度(0 mm/h~4 mm/h)下红外系统作用距离进行计算，结果表明：探测高度的变化对于红外系统作用距离有比较明显的影响，其中在1 km~3 km探测高度范围内，探测距离变化尤为明显。降雨对于红外系统作用距离影响巨大。降雨强度为1 mm/h时，红外系统作用距离衰减为无降雨时的50%。当降雨强度大于3 mm/h时，作用距离趋于稳定。

星载激光测高系统发出的测距光束经过大气层时会发生折射，由此产生的与大气延迟相关的测距误差在数米量级。讨论了激光测高系统大气延迟修正理论及实现算法，通过使用沿天顶方向的大气传输延迟值与非天顶方向相应映射函数乘积的方法来计算大气延迟，并对影响大气延迟主要气象参数地表气压进行修正。结合全球首个对地观测星载激光测高系统GLAS测量数据和美国国家环境预报中心NCEP气象数据进行大气延迟修正，并与GLAS系统公布延迟数据对比。结果表明：大气干项延迟偏差小于2 cm，湿项延迟偏差小于1 mm。

为解决1 fJ～1 pJ脉冲激光能量的测量问题，提出了一种基于时域波形积分的飞焦级脉冲激光能量测量方法。该方法采用光电倍增管（PMT）获得飞焦级脉冲激光的响应信号，该微弱响应信号经放大、校准与激光脉冲时域波形积分后实现飞焦级脉冲激光能量测量。根据该方法设计了飞焦级脉冲激光能量测量装置，并分析了该装置的测量不确定度。实验表明，该装置实现了波长1 064 nm、脉冲宽度5 ns～1 μs、能量范围1 fJ～1 pJ的脉冲激光光源的能量测量，测量不确定度为15.8%。

为研制适用于太阳光直接泵浦激光器的聚能系统，在分析菲涅尔透镜聚光原理及缺陷的基础上，提出抛物面环形阵列聚光器的设计方法。完成了由抛物面环形阵列聚光器、菲涅尔透镜及复合抛物面聚光器（CPC）组成的太阳光泵浦激光器二级聚能方案，并与传统菲涅尔透镜方案进行了对比。光线追迹仿真分析表明：新型聚光器能够克服传统菲涅尔透镜的色散、小棱镜面像差及光线遮挡的缺陷，从而提高聚能效，使用抛物面环形阵列聚光器的多级聚能方案较传统菲涅尔透镜的多级聚能方案聚光比提高约18.5%，更适合于大相对孔径、高聚光比聚光场合的应用。

为了研究地星上行和星地下行激光链路孔径内接收光强信号的典型特征，基于大气湍流理论和位相屏方法，计算了短波和中波红外激光在特定大气相干长度条件下，孔径内接收激光功率与总功率的比值及起伏情况。根据统计结果讨论了上下行大气通道传播特性的差异，结果表明相同外界条件下，直径50 cm孔径内接收的下行激光信号强度大于上行激光信号强度1个数量级以上，其信号的起伏程度也低于上行激光；中等湍流下，下行激光孔径接收光强的概率分布函数服从对数正态分布，最大概率接收功率比与无湍流条件下的功率比值一致，分别为0.42%(1.315 μm)和 0.26%(3.8 μm)。

F-P标准具的特性易受温度影响，温度变化时，其透射峰会发生漂移，将其应用于光纤光栅波长解调时，温度波动会给波长解调精度带来影响。分析了F-P标准具的温度特性对光纤光栅波长解调精度的影响程度，并分别采用温度稳定性为±1.5 GHz和±3 GHz的F-P标准具进行了稳定性和重复性实验。实验结果表明：光纤光栅传感器的中心波长不同，由F-P标准具的温度特性产生的解调误差也不同；采用2种F-P标准具测得的稳定性误差最大值分别为0.528 pm和0.676 pm，重复性误差最大值分别为1.77 pm和2.01 pm。

随机漂移是影响光纤陀螺精度的主要因素之一，建立陀螺随机漂移模型以便在滤波时加以修正是提高系统精度的有效方法。针对传统随机漂移模型建模耗时长、过敏感等问题，提出基于Allan方差的光纤陀螺随机漂移模型。通过各噪声项的功率谱密度函数推导出随机微分方程，用Allan方差分析出光纤陀螺各噪声项量化参数，将量化参数代入以单位白噪声驱动的随机微分方程，得到随机漂移模型。实验结果表明，该模型拟合出的随机漂移单项噪声误差不超过8.6％，远低于传统模型产生的单项噪声误差58.3％，是一种有效的光纤陀螺随机漂移建模方法。

为了获得高功率、宽带宽及谱平坦的长波段掺铒光纤光源，基于2级双程芯泵浦，应用偏振复用技术实现泵浦瓦级供给，在泵浦总功率和光纤总长度都不变的情况下，数值分析了4种光源结构的输出特性受泵浦和光纤分配比例的影响。结果表明，4种结构基本都能工作于L波段（1 565 nm~1 610 nm），带宽受结构影响较小，但只有"双程后向+双程后向"结构可同时拥有高输出功率和高平坦度。其在总泵浦功率750 mW，第一级泵浦功率为300 mW，第二级泵浦功率为450 mW时，和光纤总长度21 m，第一级光纤长度为18 m，第二级光纤长度为3 m时，可实现输出功率314 mW，带宽32.41 nm，中心波长1 584.84 nm，平坦度2.23 dB的L波段超荧光光源。