以无线光通信中的副载波调制技术为背景，研究了光强调制正交相移键控信号的循环自相关和循环谱密度函数，并对实际测得的信号的循环谱和循环自相关函数进行了分析。结果表明，无线光副载波信号经过大气传输，同时受到了加性白噪声和乘性窄带随机噪声的影响，有限强度的大气湍流并未破坏正交相移键控信号的循环平稳特性。影响接收信噪比的主要因素是有用信号功率与低频噪声功率之差，通过加时间窗的方法可以有效抑制低频噪声的影响，从而提高系统接收信噪比。

根据米散射理论和激光传播方程，建立PM 2.5颗粒物浓度与后向散射光强的关系模型，并提出了基于电荷耦合器件(CCD)后向散射激光雷达的实时PM 2.5 颗粒物浓度的监测方法。设计了以532 nm 波长的激光器为光源、CCD 为接收器的后向散射激光雷达实验装置。根据获得的实时大气颗粒物后向散射图像，提取灰度值矩阵并分析了散射图像的光强分布；对比赛默飞世尔科技公司的PM 2.5监测仪(SHARP)的实验结果，拟合了PM 2.5颗粒物浓度与散射光强的5个关系式，拟合度均在0.95以上。这种成本较低、操作便利的实时PM 2.5颗粒物浓度监测装置的推广，有助于建立PM 2.5污染物的分布和运动模型并绘制污染地图，具有重要意义。

提高星敏感器星点定位精度是高精度星敏感器关键技术之一。常规质心法和高斯拟合法定位最小均方误差在0.1 pixel左右，难以满足未来高精度定位需求。在自适应光学领域，为研究Shack-Hartmann传感器波前定位而提出的迭代加权质心算法(IWCOG)，其定位误差优于前两种算法，但目前该算法的定位机理及多星定位误差特性未知。从Meanshift 理论角度推出该算法定位机制，证明算法的收敛性；每个仿真采用蒙特卡罗方法随机生成10000个星点样本，通过分析星点参数、信噪比与定位误差的关系研究IWCOG 算法在星敏感器多星定位的特点。模拟结果显示，在信噪比R=40 下，IWCOG 法星点提取误差低于0.02 pixel的样本占44%，低于0.04 pixel的占72%，远高于质心法的0.8%和1.9%，基本满足甚高精度星敏感器的定位要求。

为了提高时间延迟积分互补金属氧化物半导体(TDI CMOS)图像传感器的成像质量，研究了TDI CMOS图像传感器中曝光时间的选取对成像质量的影响。基于行滚筒曝光读出原理，分别分析了曝光时间对信噪比(SNR)和调制传递函数(MTF)的影响机理，根据分析结果，提出在级数已选定的情况下，曝光时间的选取存在最优值，此时得到的图像质量较好。为验证结论，基于自主研发的TDI CMOS 图像传感器芯片及现场可编程门阵列(FPGA)开发板，搭建了TDI CMOS 图像传感器成像测试系统。实验中采用MTF×SNR 作为评价图像质量的指标，实验结果表明，在选定的相机参数下，积分级数为8级，光强为20 lx时，TDI CMOS 图像传感器曝光时间选取64 ms时所得到的图像质量最好，此时MTF×SNR 最大。

给出了保偏光子晶体光纤（PM-PCF）模场的计算模型，搭建了基于近场光斑成像法的PM-PCF 非圆模场在线测量装置，采用红外成像系统实现了模场参数的绝对测量。在此基础上，研究了放电对PM-PCF 模场的微调作用，结合仿真计算，获得模场参数变化规律。建立了PM-PCF与传统保偏光纤的耦合损耗计算模型，确定了低损耗耦合条件，并进行了熔接实验验证，实现了PM-PCF与传统保偏光纤的低损耗熔接。

设计了一种具有较大动态检测范围的新型光子晶体光纤折射率传感器。光子晶体光纤中一个空气孔镀上金纳米薄膜作为表面等离子体共振传感通道用来检测低于石英基底材料的液体折射率，一个空气孔填充待测液体作为定向耦合器通道用于检测高于石英基底材料的折射率。该传感器可以实现折射率为1.32~1.52范围内的检测，且具有较高的传感灵敏度。在各向异性的完美匹配层（PML）下利用全矢量有限元法（FEM）对该传感器特性进行了数值研究，结果表明：在1.32~1.44 和1.46~1.52 的折射率范围该折射率传感器灵敏度最高分别可达13500 nm/RIU 和28700 nm/RIU,RIU 为折射率单位。

为改善全光纤3×3 光学梳状滤波器(Interleaver)的输出特性，详细推导了其输出表达式，通过分析和优化，提出了新的结构参数。计算结果表明: 相对于以往的全光纤3×3 光学梳状滤波器而言，利用优化后的结构参数设计的全光纤3×3 光学梳状滤波器，不仅降低了器件的制作难度，而且在串扰特性、信道隔离度、阻带抑制、通带平顶度以及过渡带滚降等特性方面得到了明显改善，信道间功率旁瓣降低了约16 dB。最后进行了实验研究，实验所得结果与理论结果相吻合。

光纤陀螺(FOG)的漂移输出经常淹没在噪声中，直接建模补偿漂移信号非常困难，提出基于经验模态分解(EMD)的阈值滤波方法(EMD-T)对漂移信号预处理。为了提高EMD 分解的精确度，基于噪声传播模型引入一种有界噪声辅助分析的方法，将漂移信号中幅值小、频率高的噪声信息压缩至低阶本征模态函数中。为了验证算法的有效性，采集一款干涉型FOG 的静态漂移输出作为测试信号，将EMD-T 与基于小波包变换(WPT)和常规EMD(CEMD)的阈值滤波方法进行了对比分析。仿真结果及Allan方差分析表明，EMD-T较WPT和CEMD 滤波性能有显著的改善，经EMD-T 处理后，漂移信号的量化噪声(Q)和角度随机游走(N)分别由0.7862 μrad 和4.58×10-3（°）·h-1/2下降至0.1340 μrad 和9.03×10-4（°）·h-1/2。

对于道路照明，人眼观察到的是路面的亮度而并非路面照度。理想的路面照明应能达到照度和亮度的双重均匀性。从发光二极管(LED)道路照明中路面亮度与照度的关系出发，提出了一种基于路面反射特性同时实现路面照度与亮度均匀性的设计方法。首先根据国际照明委员会(CIE)标准给出的简化亮度系数表计算路面上所有点的亮度系数；然后利用最小二乘法对路面照度和亮度同时进行分析，得到路面最优照度分布；最后采用分离变量与最小能量块迭代结合的方法对光源以及接收面进行网格划分，根据目标照度分布进行三维自由曲面光学系统设计，得到实现路面照度均匀与亮度均匀的光学透镜。将此设计应用于双车道的C1路面，实现了路面93.47%的照度均匀度，各车道观察到的路面总亮度均匀度为86.94%和89.26%。

在许多测量系统以及激光焊接的系统中，拥有一字线图案的激光器发挥着重要的作用。为了提高传统一字线激光器光学系统的光能利用率和改善光学照明效果，研究设计了一种自由曲面反射镜，使得光线在细线的宽度方向准直出射，在长度方向以大角度扩散，同时也保证照度均匀性。通过建立自由曲面模型、构建偏微分方程，得到自由曲面点云的数值解，从而拟合得到自由曲面面型。仿真结果表明，发散角在高达150°时，照度均匀性高达90%，在不考虑反射率损失时能量利用率在99%以上。

为成功应用新一代红外探测器，须要设计出能够同时具备双/多色成像能力的光学系统。提出了针对双色红外光学系统材料选择的计算评价方法，其评价项包括绝对光焦度和设计谱段内多个波长下的平均离焦两项。利用该方法对可选的材料组合进行评价，可以快速高效地获得最佳材料组合和元件初始光焦度分配。通过分析评价，适用于中波/长波双色红外光学系统最佳的两片透镜材料组合方式为ZnS/IG2，最佳的三片透镜材料组合方式为Ge/ZnS/GASIR1。通过对组合的详细设计分析验证了该评价方法的有效性。最佳组合可作为透镜组元，为实际光学系统设计提供良好起点。

为解决点源法计算全息速度较慢的问题，提出了一种新的查表算法，命名为三角函数查表法（T-LUT算法）。该算法是基于点源法基本的数学公式，通过一系列数学近似与恒等变换，生成了一种纯相位查找表，该查找表具有三维特性，并具有生成速度快、精度高、占用内存少等特点，克服了点源法重复计算相位的缺点。同时采用统一计算设备架构(CUDA)并行计算在图形处理器(GPU)上加以实现，并进行了三次并行优化。在算法的验证与对比实验中，采用单显卡（GPU显卡）实现T-LUT算法，在不牺牲全息图再现像质量的前提下，成功地将点源法计算全息的速度大幅度提升。实验发现在不同的物空间采样点数量的情况下，速度相对于点源法GPU 运算提升30倍至近千倍不等。

提出了一种新的加密计算全息技术，原始水印图像经过双随机相位编码，所得复数图像经过共轭对称延拓和傅里叶变换后得到全息图，所得全息图解密图像上没有视觉可见噪声污染。将快速识别矩阵(QR)码作为原始水印图像，进行加密得到全息图水印，并嵌入在原始图像的Haar小波对角线中频系数中，在较高的水印信息不可见性的情况下，含水印图像经过打印过程获得的印刷品再扫描后，提取出的全息图水印经解密后依然能够得到可解码的QR 码，QR 码的使用使得算法可以准确定位版权人。所提的数字水印技术有很好的实用价值。

在高速运动目标的视觉测量中，高分辨率、高帧频的图像序列带来了大量待处理数据，如何快速地从这些数据中识别合作目标并提取其特征信息，成为高速视觉测量中的难题。对此，针对高速相机每个时钟周期多像素并行传输的数据特点，提出一种基于多维金字塔的硬件加速处理结构，实现连通域的全局搜索与标记，并根据标记结果完成对应特征的实时提取。在现场可编程逻辑门阵列中，通过金字塔结构的二维处理节点阵列与多标签特征统计的一维处理阵列，将数据流的高密度运算均衡分布于各运算节点，结合流水线并行，将视觉系统中占据较高耗时的全局搜索与标记过程在图像传输中同步实现。通过功能验证与实时性分析，该特征提取的分布式运算结构可在CameraLink接口85 MHz的时钟频率下，实现680 Mpixel/s的数据流实时处理，可作为预处理部分应用于高速视觉测量系统。

焦距的精确测量直接关系到光学仪器的正常使用和技术性能的充分发挥。基于光学离焦成像模型, 结合模糊图像处理快速算法,提出了一种新的实用性强的快速自动测焦方法。根据光学成像原理提出模糊图像条件下测焦原理的数学模型,运用最小二乘法拟合圆的图像处理算法计算模糊图像中两弥散光斑间的距离，利用这个距离值计算出透镜焦距。实验证明该方法能够以较高的精度估计出弥散光斑间的距离值, 从而实现精准且快速的自动测焦。该方法只需一幅模糊图像, 相对于传统的测焦方法, 减少了计算量, 提高了速度和可靠性，降低了系统的复杂度。

为了克服现有电荷耦合器件(CCD)错位成像实现方法结构复杂、对移位精度要求苛刻等缺点，提出并实现了利用高精度二维平移台对单个CCD 相机整体二维移位，对一定物距远处靶标成像。采用三次B 样条插值、交错重组，对得到的具有既定相互位移关系的多幅相互错位半个像元的低分辨率图像进行重建，得到高分辨率图像。采用刃边法估算点扩展函数，对重建高分辨率图像进行图像复原，得到最终高分辨率图像。结果表明，采用错位成像，图像目视视觉分辨力提高了1.4倍，图像混叠效应降低，图像复原将调制传递函数面积（MTFA）由0.1577提高到0.2937。实验表明，错位成像技术能提高图像分辨力，降低图像混叠，增强图像质量，图像复原可以有效补偿重建的高分辨率图像的调制传递函数（MTF），解决了错们成像中重建图像分辨力提高但MTF下降的问题。

针对低对比度环境下拍摄目标图像所产生的低识别率问题，提出了一种基于小波提升算法的偏振信息融合方法，该方法采用偏振技术进行目标探测，应用小波提升算法所具有的计算量少、处理速度快等优点将偏振度和偏振角等信息分解为高频和低频部分，分别对高、低频系数采用不同规则进行融合，使得融合后目标边缘轮廓完全从低对比度环境中凸显出来，且细节信息完整、清晰，易于人眼对目标的识别。通过对大量低对比度场景下的目标进行识别及对融合结果进行评价，实验表明，该方法能有效地提高低对比度环境下目标的识别效率，验证了算法的可行性。

空间电荷耦合器件(CCD)相机在轨调制传递函数(MTF)估算由于噪声影响、边缘方向不够准确以及边缘扩展函数(ESF)构建精度低，而最终导致MTF 估算精度低，针对此问题提出了一种适于空间CCD 相机的高精度在轨调制传递函数估算方法。先根据CCD 动态成像特点建立像移速度模型，求出精确的刃边方向，然后提取出满足要求的刃边图像。在考虑噪声情况下修正调制传递函数理论模型，并提出基于CCD 相机传递函数参数模型的线扩展函数构建方法，对构建的线扩展函数进行求导和傅里叶变换得到估算的MTF。实验结果表明，此方法可以高效地在轨估算MTF，与传统方法相比，MTF估算的值提高了28.71%，有效性地提升了在轨MTF估算精度。

空间调制型全Stokes 参量偏振成像是针对同一目标不同偏振分量的同时探测技术，以双折射晶体作为调制元件，将Stokes参量S0~S3调制在同一幅图像中，只一次采集便可获得包含4个Stokes参量的调制信息。分析空间调制型全Stokes偏振成像系统的探测原理和数学模型。阐明重构偏振图像S0~S3的理论依据，并分析了系统参数的选择对图像重构效果的影响。根据实际系统参数，进行数值仿真模拟成像过程，获取调制图像，使用一种简单的频域解调算法，重构出S0~S3 的4 幅偏振图像，得到比较满意的重构效果，不仅验证了方案的可行性，同时为仪器设计或器件选型提供参考。

提出一种改进Powell法结合遗传算法的混合算法，配准人体安检仪的太赫兹与可见光双波段图像。针对被动式太赫兹图像特征点难以提取的问题，以互信息为相似性测度，通过遗传算法寻优获取7个仿射变换参数的近似解并将其设置为改进Powell算法的初始点，然后利用改进Powell法的局部搜索能力，得到7 个变换参数的精确解。利用单一遗传算法、单一Powell算法和本文混合算法分别对两组太赫兹和可见光图像进行配准。以均方根误差为评价标准对配准结果进行评价。实验结果证明，相比于单一遗传算法和Powell算法，该方法达到了更高的配准精度。能进一步用于太赫兹与可见光双波段图像融合，以提高对衣物内藏匿物品的识别精度，增强太赫兹人体安检仪的实用性。

由于强散射介质的散射作用，使得传统光学成像系统难以有效探测其内部目标。针对这一难点，提出了一种对强散射介质内部目标进行高分辨率实时成像的方法。基于强散射介质波前校正原理，采用汇聚照明方式，通过纯相位型空间光调制器，对散射介质表面点目标进行校正，使其清晰成像。在此基础上，保持调制图样不变，将汇聚照明改为扩展照明，即可实现对校正点附近较大视场和景深范围内目标的实时清晰成像。基于此方法搭建的实验系统很好地实现了强散射介质内部目标的实时成像，通过比较传统光学系统在无散射介质条件下和散射成像系统在有强散射介质条件下的成像质量，结果表明，散射成像系统具有更高的成像锐度。

为更精确测量出卫星遥感相机因姿态变化和振动等原因引起的亚像素像移，提出了基于光电混合联合变换相关的像移测量方法。该方法通过对采集到的图像序列做光学相关运算，并对联合功率谱做拉普拉斯变换，得到尖锐的相关峰，再用质心法获取相关峰的坐标信息，从而测得更精确的图像像移值。阐述了基于光电混合联合变换相关的图像像移测量原理，搭建了相应的光学实验装置。实验结果表明，该方法的像移测量误差低至0.03 pixel,大大提高了图像像移的测量精度。

为了提高在液态环境中对直径微米量级微球三维位置测量的空间分辨力，尤其是轴向的测量精度，将互相关算法对相似图像高精准的匹配特性与离焦成像法测量微球三维位置的思想相结合，讨论基于互相关匹配的离焦成像法测量微球三维位置的方法。实验表明，该方法对微球轴向位置4 min内连续定位的测量标准差约为0.64 nm，已实现对微球三维方向1 nm 阶跃变化的分辨测量，这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。相同实验条件下，与同轴数字全息显微术对微球三维位置的对比测量和分析也初步说明了该方法在实际测量应用中的可行性与高精度的特点。

针对星模拟器与星敏感器观星的色温不匹配对星敏感器光信号定标精度产生的影响，设计了一种基于LED的多色温多星等单星模拟器，采用该系统模拟特定色温的星光用于星敏感器光信号定标，大幅降低了色温非匹配带来的定标误差。从理论上分析了色温非匹配影响星敏感器光信号的定标精度的机理；根据设计指标确定了星模拟器的设计方案，主要解决了光源的选型、多色温多星等单星模拟器驱动和控制系统、色温星等匹配算法、多色温多星等单星模拟器软件设计四项关键技术问题；对多色温多星等单星模拟器进行了标定和性能测试：0等星4000K和3等星7000 K 星光的光谱匹配误差分别为4.87%和7.83%，星等等级分别为0.03和2.93；光源稳定后，多色温多星等单星模拟器的平行光管出口Φ 100 mm 口径内的照度非均匀度为6.5%，均满足设计指标。

基于某型号大气辐射测量卫星在轨定标实验数据，开展了空间污染物对天基红外测量相机响应性能的影响研究。建立了具有明确物理意义的测量相机灰度响应衰减模型，使用实测数据对模型参数进行了拟合，拟合相对均方根误差小于1%，参数值与其物理意义吻合较好；提出了基于相机线性响应范围与最小辐射分辨率要求双重约束下的空间污染容限确定准则，得出了推荐去污间隔时间为1250 h 的结论；给出了利用衰减模型预估任意时刻定标系数的方法，分别利用模型预估定标系数、历史定标系数以及当轨定标系数对测量灰度数据进行了辐射标定，预估定标系数的标定误差小于3%，能够在保证像面质量的同时提高测量精度。

随着光刻机分辨力节点的提高，纳米级的高精度检焦技术变得愈发重要。针对投影光刻的特点，介绍了一种基于叠栅条纹相位解析的纳米检焦方法。此方法基于三角法测量原理，通过光弹调制器和横向剪切板的光学调制、平行平板的相位调整，硅片位移的变化会引起调制光强发生正余弦变化。根据光强的正余弦变化，求出焦面位移量。经实验与数据分析，该方法具有纳米级的检焦精度，且具有实时性强、非接触等特点，能满足100 nm 投影光刻中焦面检测的需要。

为实现基于微多普勒效应的远距离目标探测和识别，研究了采用声光移频器的激光外差相干探测结构对目标微多普勒特征探测的影响。建立了声光移频器驱动功率与系统信噪比之间的数学模型，并进行了仿真计算，搭建了1550 nm 激光外差/零差相干探测实验平台对所建模型进行了验证。研究结果表明：在移频器驱动电压限定范围内，驱动电压越高，对微多普勒效应探测的效果越好，得到的目标特征越明显，与理论分析一致。通过对比实验发现在同样条件下，外差探测得到的反映目标特征的时频分布曲线较零差的清晰，特征提取误差小，可读性更高，说明外差探测结构更有利于复杂的远距离目标探测。

长脉冲激光打靶的直接驱动方式效率较高，但对激光强度变化非常敏感。利用测量自由面速度历史的方法对激光直接驱动准等熵压缩实验技术进行了分析，为改进激光直接驱动的准等熵压缩实验技术提供技术基础。介绍了国内在神光III原型装置上首次开展的激光直接驱动自由面准等熵压缩实验。对实验靶型、激光波形、典型实验结果以及实验中的关键技术进行了分析。在激光能量为1000 J的实验中，使用成像型速度干涉仪获得了较为理想的准等熵压缩条纹图。实验发现，自由面速度达到11.3 km/s 时，自由面反射的探针光信号消失。通过对比Multi-1D 软件的理论模拟数据与实验处理的结果，发现由于Al自由面缺少约束，这类实验会造成波系复杂化的问题，但是对主冲击的研究还是有意义的。对某些特殊材料，在很难找到阻抗匹配窗口的条件下，利用激光直接驱动方式研究材料高压响应特性提供了另一条可实施的技术途径。

利用金属表面等离激元（SPP）对光波的束缚和局域增强作用，设计了一种基于金属-电介质-金属波导布拉格光栅的全光开关。根据波导的电介质材料及其结构对有效折射率的调制作用，确定了开关各结构组成部分的材料和尺寸。通过引入金属波导滤波结构对抽运光和信号光进行了有效地分离，防止了抽运光对信号光及后续光路的干扰。使用时域有限差分算法（FDTD）对开关性能进行仿真，结果表明：新设计的全光开关在抽运光的光强为50 MW/cm2 时其消光比达到7.32 dB，开关响应时间小于2 ps，结构的横向尺寸约为400 nm。

针对农机具视觉导航线提取算法受外界环境影响较大，适用性、稳定性较差等问题，提出了一种基于暗原色的农机具视觉导航线提取算法。基于暗原色原理提出了一种新的农田图像灰度化方法，实现了农田图像中的农作物和土壤更好地区分。再利用形态学方法和最大类间方差法对灰度图进行二值化和滤波，并结合垂直投影的方法提取导航感兴趣区域，进而确定感兴趣区域的导航定位点，并通过最小二乘法将定位点拟合得到导航线。实验结果表明，该算法适用于不同颜色情况下的农田场景及农田道路导航线提取，与传统算法相比，在精度上满足导航线的要求且速度也有较大的提高，具有更广的适用性。

多视点云拼接技术是物体三维测量过程中的重要环节。现有的无标志点三维点云自动拼接方法在对不同表面进行测量拼接时稳定性较差。针对此问题，提出了一种基于几何特征和图像特征的点云自适应拼接方法。该方法建立了一个配准算法选择模型，通过引入配准算法判断因子来综合评价物体表面的几何、纹理复杂程度，从而系统可根据判断因子自适应地选择合适的配准算法，实现基于几何特征配准和基于图像特征配准的有机结合。并在特征点匹配过程中，采用随机抽样一致（RANSAC）算法对误匹配特征点进行剔除。实验结果表明，该方法可实现不同表面的稳定点云拼接。

硅异质结（SHJ）太阳电池作为备受关注的新型高效太阳电池，是在单晶硅表面沉积非晶硅薄膜制备而成的。将绒面结构的单晶硅衬底应用于异质结太阳电池，可以减少光的反射，增强光吸收的效率，从而提高太阳电池短路电流密度。利用湿法化学腐蚀对单晶硅衬底表面进行制绒，通过优化影响绒面形貌的几个关键参数，包括异丙醇浓度、时间、衬底类型和硅酸钠的含量，最终通过在n型单晶硅衬底上制绒，使波长为1011 nm处最低反射率从制绒前的34.7%降低到了9.14%，将制绒衬底应用到异质结太阳电池上，短路电流由32.06 mA/cm-2 提升到36.16 mA/cm-2,有效地改善了SHJ太阳电池的性能。

实验制备了单元尺寸在微米量级的开口谐振环周期阵列样品，测试了其在0.1~2 THz频段的散射系数，验证了不同极化方向的垂直入射可产生单独的电谐振或同时产生磁谐振的传输特性，验证了材料电导率对样品的谐振频率的影响。结合仿真计算结果，得到了等效的负介电常数和负磁导率随频率的变化关系，及其电、磁谐振频率与谐振环单元尺寸增大倍数k 的关系曲线。实验和仿真均表明，样品的电谐振频率与1/k 线性相关，而磁谐振频率与1/k 成正比关系。

利用高速摄像技术检测脉冲CO2激光诱导液体气穴通道形成、发展和坍塌的动态过程，考察不同聚焦辐照条件对气穴效应的影响。实验获得了气穴通道脉动过程的序列图像，得到了表征气穴通道特性的参数（如最大穿透深度等）。实验结果表明，不同聚焦条件对气穴通道的动力学过程有显著影响。正离焦及焦点位置条件下，气穴通道在最大纵深时，整体形态类似于漏斗状，而负离焦条件下，则呈U 形。研究结果对激光医疗、激光水下加工、能源等领域的研究具有一定的参考价值。

基于星光折射间接敏感地平自主导航星敏感器的工作原理，详细分析了星光折射星敏感器的探测参数设计，包括探测谱段、恒星观测视场、探测概率及阈值星等、恒星探测能力等。星光折射星敏感器的观测视场分为折射星与非折射星两部分，对折射星的观测视场随轨道高度增加而减小；受限于大气光谱吸收，观测折射星的谱段宜选择600~900 nm，探测信噪比随大气折射高度降低而减小。采用高灵敏度的背薄电荷耦合器件(CCD)以及精度达到微米级的无热化光学系统匹配设计。结果表明，光学系统像质良好，单一星敏感器单星测量精度达到1″，满足目前航天自主导航对姿态及位置测量精度的需求。

含有阶梯微反射镜和片状分束器的时空联合调制型傅里叶变换成像光谱仪的前置成像系统不仅要满足与阶梯微反射镜参数相匹配，还需具有实入瞳和像方远心的特性。为此，研究了将普通红外物镜转变为具有实入瞳的像方远心结构的方法。同时，研究了片状分束器和补偿板所带来的离轴像差，并提出了采用柱面和泽尼克面相结合的矫正方法以提高成像质量。设计出满足光谱范围3~5 μm、F 数为4、有效焦距为400 mm、视场为4.58°的整个波段全视场范围内无渐晕的红外光学系统。仿真结果表明：前置成像系统的成像质量接近衍射极限，最大全视场均方根光斑直径为5.9 μm。这种设计方法可以用于大孔径时空联合调制型傅里叶变换成像光谱仪前置成像系统设计。

针对双组联动变焦距系统结构复杂的特点，对其设计过程进行了梳理。在此基础上编制了可视化辅助设计软件，该软件具有高斯解计算、变倍补偿曲线绘制、像差与外形尺寸分析、相对孔径图输出等功能。使用该软件可以方便地完成双组联动变焦系统高斯解的合理选择，并给出各组元承担相对孔径及其变化情况，辅助进行初始结构的确定。利用该辅助设计软件，对一套焦距25~500 mm 的20倍可见光波段双组联动连续变焦距系统进行了初始结构设计，并通过整体优化使系统像差得到校正。设计结果系统光学总长478 mm，各焦距位置在50 lp/mm 处轴上视场调制传递函数(MTF)大于0.6，边缘视场MTF大于0.4，各项指标满足系统要求。

提出了一种基于脉冲宽度调制(PWM)的三基色发光二极管(LED)调光调色计算模型，建立了混合光的色品坐标与占空比、相关色温与占空比、最大光通量与色品坐标的函数关系。采用红绿蓝(RGB)三基色LED 进行实验验证，实验结果表明：计算模型能较好的指导LED 光色调节，混合光色品坐标的理论值和测量值之间的误差小于2.5%，模拟太阳光的色温变化误差仅为50 K。该计算模型可应用于各种三通道LED 的调光调色，其高精度的优点能更精确地实现智能照明，极具实用价值。

设计并制作了一套基于迈克耳孙结构的光学装置，可用于利用干涉的方法对单层的透明或半透明薄膜或光学平片的厚度做在线检测，测量范围可从微米到毫米量级。该装置采用光胶工艺将不同长度和不同热特性的玻璃材料组合在一起，使装置能够对环境温度变化做自动补偿；同时，输入和输出光信号的光纤准直器与装置为一个整体，因此在检测过程中不像普通干涉系统一样易受外界干扰。使用Agilent波长测试仪对装置产生的干涉信号做检测，在振动的环境中，测量自由光谱范围（FSR）变化的95%置信区间为±0.0005 nm，体现了很好的抗干扰能力。为了演示该装置用作自动实时在线检测的可行性，检测了厚度为(177.4±0.7) mm 的标准盖玻片，其结果与现有商用系统可比较。

将掺杂激光染料DCM 的手性向列相液晶注入全反射型光子晶体光纤微孔中，研究了激光辐射行为。采用固体Nd∶YAG 倍频532 nm 激光作为抽运光，室温下，在各个方向上均能探测到随机激光辐射谱。当抽运光的入射方向与样品轴向成30°，光纤光谱仪沿样品轴向方向以及垂直样品轴向方向探测时，在600~650 nm 范围内不同波段测得多个离散的尖锐随机激光辐射峰，其线宽约为0.2~0.3 nm。当加热样品至各向同性温度时，激光辐射峰消失。光子晶体光纤的微孔中，作为较强散射介质的手性向列相液晶在不同温度下呈现不同分子取向和折射率分布，这是随机激光产生和关闭的根本原因。

基于含时密度泛函理论，研究了钠原子连接的C60富勒烯二聚物的等离激元激发。由于碱金属钠原子和C60分子之间的耦合，在红外光谱区，钠原子连接的C60富勒烯二聚物出现了等离激元共振激发。随着C60分子之间间隙的逐渐减小，红外光谱区的等离激元先发生红移，之后发生了蓝移。在间隙较大，C60分子间电容性相互作用时，中红外光谱区的等离激元是一种多极共振模式。在间隙较小时，由于电子的隧穿，中红外光谱区的等离激元逐渐演化为近红外光谱区的另外一种等离激元共振模式，该等离激元共振模式是长程电荷转移激发模式和多极共振模式的耦合。

即插即用（plug-and-play）系统是一种稳定的双向系统，基于相位调制器的不完美性，可以对实际的即插即用系统进行有效的攻击，提出一种改进型的相位重映射攻击方法，从理论上推导出了相位重映射攻击所引起误码率的最小值，并考虑了通信成功率对实际攻击的影响。在这种攻击下，可获得较低的误码率和较高的通信成功率。

研究了电磁感应透明介质中高阶非线性效应对光孤子传输的影响。采用半经典理论获得介质对光场的线性和非线性响应，基于介质特性利用波动理论推演出三-五阶非线性薛定谔方程。介质的线性非线性特性分别决定了群速度色散参量，三阶和五阶非线性系数。研究结果表明，该非线性介质既可以诱导亮孤子也可以诱导暗孤子，取决于群速度色散参量和三阶非线性系数。当前者为负同时后者为正时产生亮孤子，当两者均为负时产生暗孤子，二者可以通过载频与相应跃迁能级失谐的调节获得。与普通非线性薛定谔方程相比，三-五阶非线性薛定谔方程对亮孤子和暗孤子出现的参数和输入条件更加严格。

可调谐二极管激光吸收光谱技术（TDLAS）以其响应速度快、灵敏度高、非接触等优点已被广泛应用于气体浓度、温度的原位在线测量。基于波长调制吸收光谱技术，理论分析和推导了二次谐波温度反演公式。并采用分时锯齿波扫描形式使两个激光器分别产生覆盖中心波长为760.21 nm 和760.88 nm 的两条氧气吸收谱线的激光，经2×1 光纤耦合器耦合为一束光束，通过测量管式炉内同一区域的二次谐波信号来反演有氧环境中的平均温度值。为了修正谱线线型和光强对实验所得的二次谐波信号峰值比值的影响，采用室温下标定温度反演公式中所需参数的方法，有效地简化了实验过程，提高了测量精度。温度在300 K~900 K 范围内变化的测量结果与管式炉的平均温度值具有较高的一致性，误差在±20 K 以内。

能量色散X射线荧光(EDXRF)光谱法分析复杂背景样品中的低含量元素时，X 射线散射产生的干扰会影响系统检测精度，而X 射线散射与X 射线束斑强度密切相关。利用微光像增强器采集了不同工作电流下X 射线束斑的投影图像，用投影光斑外围杂散射线强度表征X 射线散射强度，分析得到了减小X 射线束斑强度的两种方式，即降低X 射线管工作电流和减小准直器孔径。通过实验对比发现，利用EDXRF 法分析样品中低组分元素时，用减小准直器孔径的方法来降低X 射线散射，要比降低X 射线管电流的方式更加有效，且减小准直器孔径的同时增大X 射线管工作电流能够提高系统检测精度。实验结果表明，该方法检测土壤中微量元素Cr 时，实际相对误差为0.9%~6.6%，相对标准偏差为0.7%~1.5%，经过t 检验，p>0.05，测试结果在统计学上与标准样品结果无显著差异。

在pH 为7.41的生理条件下，以溴化乙锭（EB）作为荧光探针，通过紫外可见光谱法(UV-Vis)和荧光光谱法对茜草色素类食用色素蒽棕（Ant）与鲱鱼精脱氧核糖核酸(DNA)分子之间的相互作用机理做了初步探讨。通过循环伏安法研究蒽棕在玻碳电极上的电化学规律，根据蒽棕与DNA作用的循环伏安曲线及EB对Ant与DNA作用的影响，推断Ant与DNA 相互作用的主要方式为嵌插。结果显示：蒽棕与DNA 分子之间相互作用的结合比为n(Ant):n(DNA)=3.68:1，25 ℃时的结合常数K=2.084×103 L/mol，Ant-DNA 复合物的表观摩尔吸光系数ε=2.21×104 L·mol-1·cm-1。探讨了盐效应对蒽棕与DNA分子相互作用的影响以及它们之间的作用方式，发现蒽棕电化学变化规律同EB相似，这些实验结果证明茜草类食用色素中的蒽棕能够与DNA 分子发生相互作用，相互作用方式存在嵌插。

利用离子注入技术制备了不同Zn 离子剂量掺杂的铌酸锂样品，研究了Zn 离子注入对LiNbO3 晶体红外光谱特性的影响。实验结果显示Zn离子已成功地注入到LiNbO3晶体中，以Zn原子纳米颗粒形式存在，且注入深度约为80 nm。与纯LiNbO3晶体在3486、2851 和2917 cm- 1处的主次吸收峰的位置相比，三种掺杂Zn 离子剂量的样品主吸收峰的位置均出现在3483 cm- 1 处，发生了微小的红移，次吸收峰的位置基本保持不变。Zn 离子注入使x-切向LiNbO3晶体的透射率增大，z-切向LiNbO3晶体的透射率降低。

利用量子级联激光器(QCL)结合新型小型化光学多通吸收池高灵敏度同时测量CO 和N2O 痕量气体。所用激光为工作在4.3 mm 附近的宽调谐、无跳模外腔量子级联激光器，激光在较短的时间内（1 s）连续波长扫描，并覆盖N2O（2203.73333 cm-1）和CO（2203.161 cm-1）两种分子的吸收谱线，从而实现对N2O 和CO 的同时测量。利用物理基长为12 cm 的新型小型化光学多通吸收池，探测光在吸收池内来回反射243次，有效光程达到29 m。利用波长调制吸收光谱和二次谐波探测技术实现了对N2O 和CO 的高灵敏度探测，测量系统的最低可探测浓度极限约为2.0×10-9（N2O）和1.7×10-9（CO）。

根据麦克斯韦方程，结合超快激光脉冲的瞬态特性，在忽略色散的影响下，推导并得出了三阶非线性各向同性系统中以光强表示的非线性吸收偏微分方程。以高斯脉冲激光为例，给出了该方程的一个近似解。基于该近似解的非线性透射率，不仅与脉冲激光的峰值强度、样品厚度以及介质的双光子吸收系数有关，而且还与描述脉冲主要特性的物理量——激光脉冲半峰全宽以及激发光的频率有关。数值拟合Rhodamine等物质的非线性透射率的实验曲线的结果显示，基于超短脉冲瞬态特性的非线性透射率得出的介质双光子吸收系数大于传统非线性透射率参考公式给出的相应结果，与双光子诱导荧光法的结果基本吻合。

针对现有的多层抗锯齿技术在成像深度方向陡峭的三维(3D)图像时出现深度不连续的问题，提出了一种基于分类映射的真三维深度抗锯齿算法。鉴于固态体积式真三维成像是三维曲面的特点，通过分析YOZ（或XOZ）平面截取三维曲面所生成的二维曲线，提出了符合人类立体视觉特性的、基于相邻多层映射的体素分解方法，以及体素映射类型的判定算法。通过原始体素的自适应分类映射，可以在一定程度上扩大深度连续条件下的偏轴观看角度。在搭建的固态体积式真三维立体显示系统上测试三维成像，在较大的偏轴观看角度（约45°）下多数三维成像在深度方向过渡平滑，可以获得较好的深度连续性。

为了优化多毛细管X光透镜的设计，利用旋转坐标系的方法建立子管方程，根据光线追迹原理建立了X 射线在导管中传输的模型，直接求解一元四次方程得到X 射线每次反射时与管壁的交点，从而追踪单根X 射线的运动轨迹，并由大量X 射线的总的运动规律得到X 射线在单根导管中的传输规律，再由单根导管拓展到整个透镜。在此基础上编写程序，实现了对X 光透镜的传输效率和光斑的模拟计算。为了验证模拟的准确性，对两个平行束透镜分别进行了实验测试和模拟。在8.05 keV 下，所测的传输效率为13.0%，模拟计算结果为14.2%。在对光斑的模拟中，模拟所得的光斑也与实验结果相符合。结果表明，模型的建立是合理的，在类似透镜的设计制造中有着潜在应用。

重建算法是计算机断层成像（CT）技术的核心。在解析法CT重建过程中，结合先验信息和引入优化约束条件较为困难。通过对滤波反投影(FBP)原理及其重建图像与理想CT 图像差值关系的分析，构造了以FBP 为基础的迭代循环，解决了解析重建过程中先验信息的利用和优化约束条件的引入问题。为抑制迭代FBP 产生的图像伪影，将全变分(TV)模型引入重建过程，建立了TV 约束迭代滤波反投影CT 重建方法。在数值模拟中，针对完善投影数据、稀疏投影数据、含金属投影数据和有限角投影数据等不同情况，重建出了与原始模型高度一致的CT 图像，研究表明TV 约束迭代滤波反投影方法是一种精度高、适应性较强的CT重建方法。