通过高温（850~950℃）退火方法使光纤布拉格光栅在高温擦除后重新生长形成热重生光纤光栅，其能够在大于1 000℃以上的高温环境中稳定工作，但经高温退火处理后的热重生光纤光栅机械强度较一般光纤布拉格光栅显著下降.本文通过采用单模石英光纤进行实验，对光纤光栅的轴向应力和光纤光栅中石英分子组分的变化进行研究分析.结果表明，经过高温热退火后的热重生光纤光栅与未退火的光纤布拉格光栅相比，纤芯处压应力减少了80 MPa，远离纤芯的包层处拉伸应力由22 MPa逐渐减小；同时，随着热退火气氛中氧含量的增加，退火后生成的热重生光纤光栅SiO₂逐渐增加，占比从52.99%上升至69.92%.虽然SiO₂具有较高的密度，其机械强度大于Si₂O₃，但热退火后的热重生光纤光栅脆性仍增大，故推论：组分变化对热重生光纤光栅脆性增大无明显影响，脆性增大主要原因为高温导致的应力松弛.本文研究为提高热重生光纤光栅的机械性能，解决其脆性问题提供了可靠的理论与实验依据.

理论研究了小芯径光子晶体光纤中基于前向受激布里渊散射的快光.利用前向受激布里渊散射三波耦合方程，通过傅里叶变换，计算小芯径光子晶体光纤中的群折射率和增益系数.用有限元法模拟了声场和光场的分布、信号光时间提前量和展宽因子.小芯径光子晶体光纤中光场与声场可以有效地重叠在纤芯中，增强了它们之间的非线性相互作用，导致强的受激布里渊散射和大的时间提前量.随着信号光传输距离的增加，时间提前量成非线性增长，与此同时，信号光被压缩.随着初始脉冲的增大，脉冲展宽因子逐渐趋于平稳.当传输距离为70 m，初始脉冲宽度为200 ns，泵浦功率为600 mW，计算出时间提前量为21.76 ns和脉冲展宽因子为0.77.

针对离轴菲涅耳数字全息图，提出基于深度学习的单幅数字全息非线性重构方法.采用经典的菲涅耳衍射积分模拟数字全息成像以供给网络训练所需样本，利用深度卷积残差神经网络通过学习数字全息图与相关物像之间的非线性数学映射关系实现全息图的物像重构.数值模拟表明，与传统的频率滤波和四步相移技术实现菲涅耳数字全息重构相比，本文提出的方法可直接消除零级像及孪生像，无需条纹物项抽取预处理步骤，且重构的物像具有较高的质量，针对相同记录参考光下不同衍射距离所生成的测试集亦具有较强的稳健性.

目前大部分基于物理模型的图像去雾算法存在复原图像色彩失真和天空边界区域出现光晕效应的问题.为了解决这些问题，本文提出了一种将光场深度计算与大气散射模型相结合的图像去雾方法.该方法通过光场极平面图像计算得到场景深度，将场景深度信息计算所得的透射率与暗通道透射率融合得到最终透射率.同时利用场景深度对天空边界进行判定，单独对天空区域进行处理.在合成雾天图像和真实雾天图像上的实验结果表明，与现有的单幅图像去雾算法相比，本文提出的方法在峰值信噪比以及结构相似性上均有提升.同时对去雾之后的图像的色彩保真度以及光晕效应的抑制方面都取得了较好的结果.

为克服双随机相位编码的光学图像加密中，密钥、密文体积大、抗选择明密文能力弱的问题，提出了一种Logistic-Logistic级联混沌与矢量分解的无损压缩光学图像加密方法.先隔空取样置乱将明文分成两块，再用干涉合成一块，最后放入双随机相位编码系统得到密文.置乱能够克服干涉后看到明文信息的缺点，增加了加密系统的安全性.干涉使得密文体积变为原来的一半，便于密文传输.单位等模矢量分解的解密方式避免了现有压缩方式存在的解密图像分辨率降低的问题.Logistic-Logistic级联混沌极大缩小了双随机相位编码的密钥体积，同时还解决了Logistic序列分布不均匀问题，提高了序列随机性，保留了Logistic混沌的快速性.将明文的HASH值SHA256与密钥进行强关联，使整个系统达到一图一密的加密效果，提高了明密文间的雪崩效应，增强了算法抗选择明密文攻击的能力.

为提高复杂背景和噪声干扰下红外小目标检测性能，提出了融合深度神经网络和视觉目标显著性的单阶段红外小目标检测算法.首先设计了基于编码器-解码器架构的轻量级全卷积神经网络对红外图像进行分割，实现背景抑制和目标增强；然后利用红外小目标的显著性特征进一步抑制虚警；最后采用自适应阈值法分离出小目标.网络结构中通过引入多个下采样层降低计算量并增大感受野；通过引入多尺度特征提升背景抑制能力；通过引入注意力机制提升模型训练效果.在真实红外图像上的测试表明，本文算法在检测率、虚警率和运算时间等方面都优于典型红外小目标检测算法，适合进行复杂背景下的红外小目标检测.

针对常用的目标检测算法对遥感图像中的舰船目标进行检测时存在检测精度与实时性兼顾不佳的问题，提出了基于特征融合的遥感图像舰船目标检测算法来检测复杂场景下的多尺度舰船目标.该算法以多尺度单发射击检测框架为基础，增加反卷积特征融合模块和池化特征融合模块，增强网络特征提取的能力.同时设计聚焦分类损失函数来解决训练过程中正负样本失衡的问题.在高分遥感舰船目标数据集上的实验结果表明，所提方法能够有效地增强复杂场景下舰船目标的检测精度.此外，该算法对遥感图像中的模糊舰船目标的检测效果也优于多尺度单发射击检测框架.

针对现有方法在大视场、高灵敏度条件下星空背景复杂导致的空间目标捕获速度慢的问题，利用大视场星图识别的优势，提出了复杂星空背景下的空间目标快速捕获算法.采用分级曝光策略，基于短曝光获取有限数量的恒星以大幅度提高星图识别速度；利用二维最大背景估计方法，实现星图预处理，获得质心数据信息；最后基于星图目标序列剔除自然天体.通过星图目标排序横向剔除，保证剔除准确性的前提下有效提高了剔除效率，实现了空间目标快速捕获.仿真试验结果表明，本文方法快速性好、准确率高，与已有算法中较快算法相比，目标捕获所用时间减少41.92%.

在分振幅偏振成像探测器标定过程中，针对标定系统引入的误差和探测器自身误差的超多影响因素的强耦合问题，提出采用一种非线性最小二乘拟合法，将探测器与标定系统的主要误差影响因素以未知参数的方式代入拟合方程中进行标定计算.在波段为532 nm的入射光源下，对标定后探测器的精度进行了验证.探测线偏振光的偏振角误差在0.2°以内，线偏振度误差在2.5%以内，探测左右旋圆偏振光的圆偏振度误差在3.5%以内，满足了天空偏振探测的应用.非线性最小二乘拟合法可以有效的标定分振幅偏振成像探测器.

针对推扫模式下多光谱关联成像重构图像模糊、信噪比低问题，提出了一种利用探测信号叠加提高重构图像信噪比的多光谱关联成像方案.该方案基于稀疏约束关联成像光谱相机实验系统，通过单次曝光获得一帧探测信号，对前后帧连续探测信号进行错位叠加，计算出系统总探测矩阵，结合标定测量矩阵，采用压缩感知算法得到待测目标物体重构图像.数值模拟和实验结果表明：适当延迟曝光时间可以提高系统重构图像质量；相同曝光时间条件下，利用探测信号错位叠加的推扫10帧重构图像信噪比明显高于单帧多光谱重构图像.

为了应对高亮度量程计量溯源需求并提高国家亮度计量标准的复现能力，建立了可覆盖10~200 000 cd/m²量程的新一代国家亮度工作基准装置.研制了双光束注入式可调高亮度均匀光源并在光源出口安装了精密孔径限制光阑，研究了基于积分球亮度源法复现亮度绝对值的方法，对光源的稳定性及空间输出特性、复现装置定位精度、标准照度计的线性及光谱失配误差等关键计量特性进行了实验及分析，最终将复现的亮度标准值保存至标准亮度计用于未来的量值传递工作.实验结果表明：基于亮度源法的亮度复现装置在10~200 000 cd/m²量程量值复现相对扩展不确定度为0.7%（包含因子为2）；其复现量值与基于灯板法的3~1 500 cd/m²国家亮度工作基准的偏差小于0.2%；装置测量范围上限较原基准提高了2个量级，基本覆盖了常规亮度计的量程，可很好地满足当前更高亮度应用领域的计量校准需求.

针对薄壁零件变形量测量困难且过程繁琐的问题，提出了一种基于双目视觉的薄壁零件变形量测量方法.对于零件表面变形量的测量，将具有基准坐标系标记点的刚性金属块安装在被测零件上，并在零件表面粘贴多个设计的编码标志点和彩色圆形定位点.利用彩色标记点分割出基准坐标系和编码标记点的有效图像区域，排除干扰图像特征.进行基准坐标系标记点和编码标记点的识别和检测，利用设计的角点结构实现标记点圆心的精确定位，并计算得到测量点的三维坐标.在基准坐标系下，通过计算零件变形前后表面关键点的三维坐标变化得到工件表面变形量.对于零件边缘变形，采用改进Canny边缘检测算法提取零件边缘的有效轮廓信息，并利用极线几何约束和灰度相似性对边缘特征进行了立体匹配和三维重建.薄壁零件变形量测量实验和测量精度验证实验表明该测量方法合理有效且测量精度满足要求.

针对传统几何法在六光幕精度靶测量模型解算及精度分析中因取近似结构参数而引入误差的问题，提出了基于平面方程的精确解算及精度分析法.依据工程实际，构建了高通用性的六光幕精度靶工程化测量模型及误差传递模型，系统地仿真比较了两类六幕结构中靶距及靶距误差、斜幕角度及角度误差、光源和接收对准误差等多误差源对弹丸速度及着靶坐标测量结果的影响，获得了一系列探测靶面内的测量误差分布数据，并结合实际给出了一个可满足坐标测量误差小于3 mm，相对测速误差小于0.3%指标的工程设计实例.研究结果可为六光幕精度靶的工程化设计与精度评估提供可靠的理论基础及数据参考.

基于相位计算的多通道三维测量技术由于同时使用多个光通道，通道间串扰和色差、镜头畸变以及器件非线性响应等多种误差耦合在一起，影响测量效果和检测精度.针对该问题，从采集图像的误差类型出发，将误差分为图像像素亮度与实际亮度之间的光强误差和图像像素空间分布的位置偏差，以此分别构建了光强误差关系和位置偏差关系并对检测系统进行定量测量.最后提出一种系统误差补偿方法，利用建立的误差关系修正了采集图像光强亮度和像素位置偏差，同时补偿了上述误差对测量结果的影响.实验结果表明，利用本文提出的误差补偿方法对标准台阶进行多通道三维形貌测量，测量误差从0.678 mm减小到0.031 mm，该方法对此类系统的高精度三维测量具有实用价值.

将Yb³⁺作为协助发光的敏化剂，Tb³⁺和Tm³⁺作为发光中心的激活剂分别加入到基质氟化钇钠中，通过水热合成法分别制成不同掺杂浓度的NaYF₄：Yb³⁺/Tb³⁺和NaYF₄：Yb³⁺/Tm³⁺双掺杂氟化物纳米发光材料，并通过扫描电子显微镜、X射线衍射以及荧光光谱等手段分别对NaYF₄：Yb³⁺/Tb³⁺和NaYF₄：Yb³⁺/Tm³⁺双掺杂氟化物材料纳米颗粒的形貌及其发光特性进行了研究.实验结果表明：系列样品的X射线衍射图谱衍射峰与标准卡片吻合得很好，实验浓度范围内Yb³⁺/Tb³⁺和Yb³⁺/Tm³⁺共掺没有改变NaYF₄的晶体结构.实验得到了该材料在980 nm激光激发下的上转换发光光谱并分析了该材料的上转换发光机理，NaYF₄：Yb³⁺/Tb³⁺在980 nm激光激发的情况下出现的蓝光，绿光以及红光，分别对应于⁵D₄→⁷F₆、⁵D₄→⁷F₅、⁵D₄→⁷F₁的辐射跃迁；NaYF₄：Yb³⁺/Tm³⁺在980 nm光源激发下出现强的480 nm的蓝光，对应的是¹G₄→³H₆的电子跃迁能级带，在660 nm强的红光发射谱带，对应的是¹G₄→³F₄能级跃迁辐射光.

使用"五步法"热定影工艺制备体布拉格光栅，阐述了光热折变玻璃内部的析晶机理，借助拉曼光谱与扫描电镜直观探测到了离子迁移过程与NaF析晶过程，通过掺杂与未掺杂KBr两种组分玻璃的衍射效果以及透过率光谱对比，发现了位于350~600 nm处的吸收带，确定成核过程内部形成的胶体为溴化银与纳米银复合物.该胶体聚合生长为胶团，诱导NaF晶体在其表面析出生长，实现折射率调制.并且从胶体成核阶段、NaF析晶阶段、曝光剂量三个方面探究影响光热折变玻璃内部析晶颗粒的关键因素，研究结果表明：成核过程中[Ag_n⁰·（AgBr）_m]胶团大小是决定NaF析晶大小的关键；NaF析晶阶段主要影响析晶颗粒数量而对改变NaF析晶大小作用不大；NaF析晶大小随着曝光剂量出现先减小后增大的现象，在1.8 J/cm²附近出现拐点、析晶颗粒最小.

为抑制激光散斑现象，利用时间平均抑制散斑理论的基本思想，设计了一个具有高透射率、随机相位功能的超表面结构，并结合MEMS技术实现了微纳旋转载台的设计制造，实现了超小型的散斑抑制器件制造.实验结果显示激光散斑对比度可降低至2.63%，满足激光投影领域使用需求.该激光散斑抑制器件使用方法简单、能量利用率高、成本低且易于批量制造.

为了提高铝基等离子体传感器的灵敏度和稳定性，提出了一种基于相位调制增敏的表面等离子体共振传感结构：铝膜-石墨烯复合结构.采用Kretschmann传感结构，将铝膜和多层石墨烯依次沉积在高折射率棱镜上.基于传输矩阵原理，模拟计算激发光波长为632.8 nm时，几何结构参数对传感性能的变化规律.研究结果表明，相比于传统的角度调制模式，该传感结构采用相位调制模式，可以实现2个数量级的灵敏度增强.同时，石墨烯薄层的引入不仅能够有效阻止等离子体铝膜被氧化，而且能够产生近83倍的探测灵敏度增强因子.对于界面折射率变化为1.333~1.334 2 RIU，该复合结构的最大差分相位为94.663°，能够产生超高的相位探测灵敏度7.888 5×10⁴°/RIU.该传感结构可为开发低成本、超灵敏的铝基等离子体传感器件提供参考.

为了满足空间远紫外波段成像高空间分辨率和高计数率的探测需求，阐述了光子计数成像探测器的感应电荷读出方法，用于对地球电离层进行远紫外波段遥感探测的成像光谱仪.研究了具有成形网路的电荷灵敏放大器各参数间的关系，从理论上分析了电荷灵敏放大器的上升时间及成形网络的成形时间常数对电荷读出噪声和探测系统计数率的影响，并建立了它们之间的定量关系.提出了电荷读出网络参数的设计和选取原则，并采用适合空间环境的分立电子元件研制出基于楔条形阳极光子计数式成像探测器的电荷读出电路.实验结果表明，所设计的感应电荷读取链路在成形时间为500 ns时链路等效输入噪声电荷约为230 e，电荷灵敏放大器上升时间小于8 ns，与建立的模型计算值有较好的一致性.在入射光强计数率86.2 kcps条件下，所测图像的空间分辨率达到7.13 lp/mm，满足空间远紫外波段成像光谱仪的使用要求.

为了解决微通道板噪声因子的测量问题，提出了一种测量像增强器光电阴极灵敏度和信噪比，从而测量出微通道板噪声因子的方法.根据该方法，分别在不同阴极电压、微通道板电压以及阳极电压条件下测量了微通道板的噪声因子.测量结果表明，当阴极电压、微通道板电压以及阳极电压分别变化时，微通道板的噪声因子会随之变化.微通道板电压对噪声因子的影响最大，阳极电压的影响最小.微通道板电压每增加100 V，噪声因子大约增加0.11，而阳极电压每增加100 V，噪声因子大约增加3.3×10^-4.微通道板工作电压提高，意味着电子碰撞能量提高，同时也意味着二次电子发射系数提高，而根据现有微通道板噪声理论，微通道板的噪声因子会减小，但实测结果却相反.造成这一矛盾的原因是在现有微通道板噪声理论中，仅仅考虑了二次电子发射系数、探测率、电子碰撞几率的因数，而未考虑到电子碰撞能量的因数，因此噪声理论需要进行修正.

针对光学相控阵存在难以校准的相位误差的问题，改进了旋转电矢量相控阵天线初始相位校准方法.与原始方法相比，该方法改变了相位计算方法，并且每测算出一个单元的相位误差立即进行相位矫正，然后测算并矫正下一个单元的相位误差，避免了原始方法在初始相位误差分布范围较广且光功率测量精度有限的情况下可能出现的π相位错误.仿真结果表明，原始方法校准后主瓣光强的平均值最多达到理想值的70.8%，标准差至少为19.1%；而改进方法校准后的主瓣强度均值至少可以达到理想值的87.6%，标准差最大7.3%，证明了改进方法具有更高的统计精度和可预测性.制备了9×9光学相控阵芯片，芯片初始的栅瓣抑制比为2.12 dB，改进的旋转电矢量法校准后则达到了4.68 dB，证明了该方法的有效性与实际应用价值.