红外成像是探测水下航行器海平面热尾流目标的重要方法。采用建模仿真的方法，基于尾流区海平面温度分布特征，结合三维坐标变换和投影映射方法实现热尾流目标的红外成像仿真过程，得到在相同探测条件下热尾流的辐射能量随波段的分布，以及不同探测方位角与高度下热尾流在像平面内的形态及红外辐射亮度的变化规律。论证了噪声对典型工况条件的热尾流与背景海面的对比度和清晰度，以及热尾流目标的探测和识别难度的影响。仿真结果表明：相同探测条件下，热尾流在8 μm~12 μm波段的辐射能量远远大于3 μm~5 μm波段；随着探测高度的增加，热尾流区域的红外辐射观测亮度逐渐减小；探测路径长度一定时，探测天顶角增大，热尾流红外辐射观测亮度减小，并且热尾流在像平面内所占区域逐渐减小。

针对单目机器人在运动过程中，相邻关键帧之间基线过短造成的相机相对位姿无法恢复的问题，提出了一种利用已知特定参照物迭代优化本质矩阵，从而快速分解出机器人相对位姿的方法。该方法首先利用已知特定参照信息获取本质矩阵估计值，然后通过相邻关键帧之间匹配的特征点组和本质矩阵估计值对本质矩阵迭代优化，最后通过本质矩阵的约束关系求得平移向量估计值，利用基于李群的姿态表示得到旋转矩阵估计值，并进一步优化得到唯一解。该方法避免了由于基线过短而无法恢复相机相对位姿的弊端。实验结果表明，该方法可快速解算并优化机器人相对位姿关系，且相对位移估计绝对误差小于0.03 m，优于传统方法。

激光晶体由于吸收了一部分泵浦光能量，产生的热量引起晶体内温度不均匀分布，使晶体内的折射率产生不均匀分布，对振荡光产生相应的相位调制，引起振荡光光场再分布，进而导致振荡光模式发生变化。谐振腔具有滤波作用，谐振腔会过滤掉振荡光中与谐振腔不匹配的模式，引起损耗，用MATLAB模拟晶体内温度场分布，通过计算谐振腔内基模的热致损耗及低阶模转换到高阶模的比例，并研究谐振腔中各阶模式的转换问题，为抑制高阶模并减小损耗提供理论依据。

设计了一种基于色散管理的掺铥光纤激光器。通过调节泵浦功率以及腔内偏振态，首先实现了稳定的展宽脉冲输出，中心波长和脉冲宽度分别为1 939.4 nm和482 fs。最大输出功率为15 mW，对应的单脉冲能量为0.52 nJ。增加泵浦功率到645 mW时，通过适当调节偏振控制器可以实现类噪声脉冲锁模，中心波长为1 940.1 nm。所实现的锁模脉冲具有飞秒量级的尖峰以及皮秒量级的基底。最大输出功率为20.4 mW，相对应的单脉冲能量为0.7 nJ。相比于传统孤子，采用色散管理所实现的锁模脉冲具有更高的脉冲能量。此外，所设计的掺铥光纤激光器可作为理想的主振荡功率放大以及啁啾脉冲放大结构的种子源，进一步提高脉冲能量，拓展2 μm高能光纤激光器的实际应用。

针对目前卫星遥感器进行场地定标的光谱观测仪器的应用需求，设计了可见近红外波段（0.4 μm~1.0 μm）的光谱辐射采集电路系统，并结合光谱辐射采集模块进行了应用与数据分析。重点介绍了线阵探测器的选型与驱动需求，并完成了基于STM32微处理器的设计。结合辐射观测需求，在信号处理部分使用仪表放大器运放对探测器的模拟输出信号进行处理，并采用STM32内部的A/D转换器采集。分析数字信号输出的结果，该辐射测量电路系统的的采集数据达到了1 LSB的数据精度（≤0.8 mV）。探测器电路系统应用到光谱辐射采集模块中，进行了户外应用与数据分析，光谱辐照度比对结果的偏差小于5%。光谱辐照度的比对结果证明整个系统可以直接进行产品应用，满足野外辐射测量数据的可靠性获取。

为了测试分析上转换纳米材料（up-conversion nanoparticles, UCNPs）的荧光寿命，设计了一种针对UCNPs进行荧光寿命信号数据高速采集并测量输出的系统。该系统通过MATLAB编写虚拟原始荧光信号并完成滤波和数据拟合，将数据程序脚本嵌入LabVIEW中进行计算和处理，在上位机显示荧光信号波形、拟合数据波形、荧光个数、荧光寿命以及寿命极值等。研究结果表明：该系统软件仿真和数值计算模拟取得了基本一致的结果，在背景噪声一定的情况下，两者误差在3%以内，具有良好的稳定性和准确性。本研究工作对UCNPs荧光寿命测量系统的研发有一定指导价值。

光学系统调焦是保证光电测量系统获取高质量图像的重要步骤之一。当对目标跟踪成像时光电测量系统不能及时调焦，获得的模糊图像对目标姿态、跟踪、识别和辐射特性测量造成很大的影响。在总结地基靶场检测调焦方法的基础上，设计了一种新型的相位-图像复合被动检测调焦结构。检测调焦系统对获取的图像信息进行处理，采用自动搜索算法，计算出需要的调焦量，最终找到最佳焦面位置。检测调焦样机的调焦对比试验发现，该系统的相位调焦精度优于0.08 mm，复合调焦精度优于0.02 mm，可以有效提高系统的调焦效率。

为了实现NA1.35投影光刻光学系统高质量成像，在设计过程中除了控制波像差，还需进一步优化光学系统的偏振像差。利用Jones光瞳和物理光瞳表达了NA1.35投影光刻光学系统的偏振像差，并用二向衰减量与延迟量分析了光学系统偏振像差的大小；根据光线入射到不同光学面上最大入射角度的不同，为每个光学面设计相应的膜系以优化光学系统的偏振像差。相比于采用常规膜系，膜系优化后NA1.35投影光刻光学系统的二向衰减量和延迟量分别减小到了0.021 8、0.057 2 rad，即减小了光学系统的偏振像差。利用Prolith光刻仿真软件，分别对采用常规膜系和优化膜系的NA1.35投影光刻光学系统进行曝光性能仿真，结果显示：膜系优化后光学系统的成像对比度提高了4.4%，证明了NA1.35投影光刻光学系统偏振像差优化方法的有效性。

针对图像特征误匹配数量大的问题，提出一种基于稀疏光流法的ORB图像特征点匹配算法。对特征点进行暴力匹配得到初始匹配点集，利用稀疏光流法计算特征点运动向量，估计出特征点在待匹配图像中的二维坐标位置，剔除偏离估计位置较远的特征点匹配对，最后利用随机抽样一致算法进行几何校验进一步优化匹配结果，达到剔除误匹配的效果。实验结果表明：该算法相较于ORB算子、SIFT算子、SURF算子准确率平均提升了21.6%，较RANSAC-ORB算法准确率平均提升了2%，且该算法对图像光照变换、视角变换、模糊变换、旋转和缩放变换和光照变化具有较好的通用性。

针对单幅图像进行了无透镜显微成像的重构算法研究，介绍了无透镜显微成像系统实验装置和ASM（angle spectrum method）、改编后的L-R（Lucy-Richardson）两种重构算法。对比两种算法重构后的USAF分辨率板图像的分辨率，利用瑞利判据得出ASM获得的振幅图分辨率最高（即3.10 μm），且计算用时最少（即0.9 s），证明了ASM为最佳的单幅无透镜显微重构算法。其次，利用无透镜显微成像系统结合ASM重构的方法，进行细胞成像实验。该无透镜成像视场为5×显微镜的4.4倍，且分辨率介于5×及10×光学显微镜之间，统计学优势明显，在生物医学领域具有广阔的应用前景。

针对雾天环境下采集的图像对比度降低，饱和度下降以及色彩偏移问题，提出了一种基于全卷积神经网络的图像去雾算法。首先，提出的三个尺度的全卷积神经网络用来学习雾天图像与介质传输图之间的映射关系，逐步生成精细的介质传输图；其次，通过雾天图像引导滤波优化预测的介质传输图，使得图像边缘信息更加平滑；最后，根据暗原色先验理论估计大气光的值，通过大气散射模型恢复出无雾图像。该方法获得的无雾图像不但未造成图像中有用信息的损失，并且恢复的图像色彩自然。实验结果表明，该去雾算法在自然雾天图像和利用Middlebury Stereo Datasets合成的雾天图像上均优于其他对比算法，恢复的图像具有更好的对比度与清晰度。

针对序列图像中目标因不显著、被遮挡等情况而出现的虚警或丢失问题，提出一种基于自动选取辅助目标的建筑物目标间接定位方法，提高目标跟踪稳定性。该方法首先自动选取红外图像中形状稳定、灰度显著的区域作为辅助目标。定位建筑物目标后，提取其与目标相对位置关系,之后利用该相对位置间接定位，最后融合直接识别及间接定位结果定位目标，并能实时更新辅助目标，保证其时刻处于视场中。实验结果表明：通过间接定位能解决目标虚警或丢失问题，提升目标定位过程中算法的准确性及鲁棒性。

为了精准测量汽轮机末级蒸汽湿度，提出在激光后向异轴角散射法的基础上建立蒸汽湿度测量模型和湿蒸汽参数反演优化模型。根据该优化模型采用粒子群算法对加入高斯白噪声的仿真数据和模拟汽缸的实验数据进行反演寻优，并将得到的反演结果与人工鱼群算法和传统的均匀搜索方法进行了对比。采用粒子群算法时r0.5、K、N的反演结果误差为0.05、0.66和0.51%，反演时间为306.41 s；采用鱼群算法时r0.5、K、N的反演结果误差为2.96、19.98和4.68%，反演时间为411.05 s；采用均匀搜索算法时r0.5、K、N的反演结果误差为5.00、27.14和7.95%，反演时间为246.42 s。结果表明：粒子群算法能够克服人工鱼群算法和均匀搜索方法两者的不足，可以在较短时间内获得精度高且稳定可靠的反演结果，为湿蒸汽参数测量提供了更加准确的数据，并对其他颗粒物参数测量反演提供了理论依据。

随着计算空间光调制器的分辨率的尺寸逐渐变大，全息图三维动态显示的计算量也越来越大，使得对全息计算速度提出了新的要求。利用GPU并行计算处理的方式实现全息图的快速层析法计算，该方法利用GPU并行多线程和层析法中的图像二维傅里叶变换的优势对菲涅尔衍射变换算法加速计算；同时通过对GPU底层资源的调用和对CUDA中程序的流处理过程，有效减少中间的延时等待。通过对计算速度对比分析表明：与在CPU上运算相比，计算速度大幅提升，基于GPU并行计算的方法比基于CPU计算的方法速度快10倍左右。

针对远距航空相机视场角较小的问题，介绍了目前常用的几种像移补偿技术，并对各种补偿方法进行了比较。采用小面阵相机并结合系统光学元件通过在横滚方向的摆扫实现大场景地面成像，对摆扫过程进行了数学分析，得出了摆扫所需的扫描指令。通过仿真实验验证了推导的数学公式的正确性，仿真结果表明，应用该扫描指令即可通过小面阵航空相机实现地面大场景图像的获取。

均匀光源被广泛应用于光学成像、遥感仪器的研制与标定等领域。提出了一种具有环形遮挡屏的积分球光源结构，以辐照均匀度分布特性为目标，利用蒙特卡洛（MCM）分析通过改变光源类型、挡板位置、开口大小、光源数量等参数对光源结构进行分析与优化。结果显示，朗伯特光源较之准直型光源辐照均匀度平均提高2.32%；挡板位置靠近积分球边缘时，辐照均匀度略低于其他位置；综合考虑辐射能量与照度均匀度，积分球开口比定在30%~35%区间内更为合适；辐射能量与光源数量呈线性关系，且不均匀度随光源数量在2.46%~3.38%波动。优化后的环形遮挡屏结构，可作为辐照均匀的光源应用于实际场景。

在大口径、快焦比非球面的补偿检验中，入射光线在短距离内发生大角度急剧折转，导致干涉仪面形检验结果图像产生非线性畸变，严重影响了数控小磨盘抛光的位置精度和误差去除效率。为了校正离轴非球面在补偿检验中产生的图像畸变，提出了一种校正非线性畸变图像的方法，通过同心环带法确定畸变中心位置并利用光线追迹建立被检镜到干涉图的映射关系。针对某一光学系统的520 mm×250 mm的离轴抛物面主镜进行了畸变图像的校正，校正结果面形与工件面形的位置偏差降到1 mm以下，满足小磨盘抛光的工作要求。

针对包装质量检测精度易受外界光照影响的问题，在已有基于梯度幅值相似性的缺陷检测算法基础上，将局部二值模式算子引入到该算法中，提出了一种基于改进梯度幅值相似性的缺陷检测算法。该算法利用局部二值模式算子的旋转不变性和灰度不变性的特点，并将其与图像的梯度幅值特征进行融合后用于包装的缺陷检测中，提升了缺陷检测算法对光照的鲁棒性。实验结果表明，相比传统梯度幅值缺陷检测算法，该算法具有更好的抗光照影响能力，并且对于不同光照情况下的包装缺陷，该算法的检测准确率可达96.57%。因而，该算法能够被广泛地用于包装缺陷检测中，提高缺陷检测的精度。

无衍射光莫尔条纹被广泛应用在精密测量领域中，实现无衍射光莫尔条纹中心的精确定位是高精度测量的关键。通过对无衍射光莫尔条纹图像特征进行分析，提出了一种无衍射光莫尔条纹的中心定位方法。该方法首先根据光强分布特征，提取莫尔条纹图像中两光斑中心局部同心圆区域；然后进行局部同心圆环检测，确定初始圆心集；再对初始圆心集进行聚类分析确定两光斑中心的初始位置；最后删除异常点并迭代求取两光斑中心较精确的位置，实现无衍射光莫尔条纹两光斑中心的定位目的。理论和实验结果表明该方法能快速、准确地同时确定两光斑中心位置，且误差小于1 pixel。

刻划光栅存在刻线弯曲误差，将直接影响光栅的衍射波前质量。通过构建光栅刻线弯曲误差与衍射波前的映射关系，搭建了光栅刻线弯曲误差的实时测量光路，论述了光栅刻划机主动控制技术原理，将光栅刻划机主动控制技术用于光栅刻线弯曲误差的在线补偿。通过对比光栅刻划实验验证该方法的可行性。上述方法能够准确提取并有效补偿光栅刻线弯曲误差，将光栅衍射波前由0.074 λ提高到0.038 λ，提高了48.6％，同时有效地解决了光栅表面弯曲问题。其研究结果可用于提高机械刻划光栅质量，具有重要的理论及应用价值。

为了避免由于远光灯使用不当而产生的一系列交通事故，且带给驾驶员更好的驾驶体验，设计了具有可以主动调整远光光束分布的自适应远光系统—ADB（adaptive driving beam）。基于非成像光学理论，采用照度优化设计法，通过计算来合理划分区域，控制相应LED的亮灭，以此达到不同远光光型的实现。通过蒙特卡洛模拟法追迹光线，测试结果表明：配光结果满足现行仅有的对自适应远光（ADB）配光规定，且当全部LED工作时，照度最大值为111 lx，模组光学系统效率为35.7%。

傅里叶变换轮廓术（FTP）复原三维形貌时，用来提取基频成分的带通滤波器对测量精度有很大影响。传统二维滤波器如汉宁窗或高斯窗为对称滤波器，其截止频率的大小受条纹空间频率即基频与零频间的距离所限，经常会导致基频成分提取不完整，有用信息缺失。为解决此问题，在二维汉宁滤波器基础上，提出一种椭圆形底部形状的二维非对称滤波器，在不同频率方向上具有不同的频率响应和截止频率，可提取出更为完整的基频成分。台阶和阵列物体的模拟实验表明，二维非对称滤波器对2个物体的复原精度相比于传统汉宁滤波器分别提高了39.5%和55.6%。

利用几何光学原理推导了线性菲涅尔式聚光器在SolTrace软件中建模所需参数的计算公式，给出了建模方法。结果表明，对于反射镜列数为21列、宽度为0.38 m、长度为4 m，复合抛物面聚光器(CPC)最大接受半角为45°，接收器距反射镜所在平面5.3 m的线性菲涅式聚光器，随着太阳入射角的增大，集热管表面能流密度逐渐增大且分布更均匀；当太阳入射角大于40°后，能流密度和均匀度趋于稳定；CPC为渐开线+cusp reflector曲线比渐开线+抛物线的集热管表面能流密度更大且分布更均匀。该结果对线性菲涅尔式聚光器的推广应用具有指导意义。

为研究探测器在单色光照射下大动态范围的辐射响应度是否不变，建立了基于激光的线性测量装置，并对该装置的测量不确定度进行评价。实验根据双光路叠加法，分别采用功率和照度两种模式研究了光电探测器的线性。对于功率模式，实验测量了6个数量级光功率变化下探测器的大动态范围非线性系数；对于照度模式，将激光导入积分球输出光辐射，测量了探测器在3个量级变化下的非线性系数。实验结果表明：当激光功率模式下探测器的输出电流从0.2 mA变至0.2 nA，探测器的非线性系数全部小于±0.02%；当激光照度模式下探测器光电流从200 nA变为0.2 nA，探测器非线性系数小于±0.02%。由此可知，激光线性装置可以实现功率和照度两种模式测量，满足至少6个量级以上的测量。

为了获取磨削工件表面特征信息，提出一种基于激光扫描的磨削工件表面检测方法。利用机械臂带动激光传感器扫描放置在激光测量平面中的磨削工件，从而获得工件在激光测量平面中的三维坐标信息，通过相邻2个扫描点之间的高度变化求出工件边界点的三维坐标信息，结合x轴和y轴坐标的极值点利用最小二乘法拟合出工件边界在激光测量平面中的解析式，进一步求出附着在工件上的坐标系相对于激光测量坐标系的位姿，最后利用工件在激光测量坐标系中的位置矢量信息得出其表面特征信息。实验结果表明，利用该方法对工件表面进行检测，得到工件表面检测误差为0.11 mm，检测平均时间在1 s内，满足工件表面特征检测要求。

钻井液中的烃能够显示出地层的含油气情况，地层含油气浓度的检测对识别真假油气显示，特别是准确解释和评价油气层具有重要意义。基于激光拉曼光谱技术具有连续、快速、直接检测样品的独特优势，开展了激光拉曼光谱技术应用于钻井液中含烃浓度定量识别的研究。实验室条件下搭建的激光拉曼在线检测系统对C7～C14正构烷烃及苯进行了检测与振动模式指认，在水基钻井液中优选正辛烷作为标志烃，基于最小二乘法建立了水基钻井液中正辛烷不同特征峰数学模型，在1 298 cm-1频移处振动强度与正辛烷含量具有良好的线性关系；在柴油基钻井液中优选苯作为标志烃，基于最小二乘法建立了油基钻井液中苯的不同特征峰数学模型，在986 m-1频移处振动强度与添加苯含量具有良好线性关系。实验结果表明：激光拉曼光谱技术可用于钻井液中含烃浓度的检测，为反演地层含油气浓度，提高油气层判识精度提供了一种新的途径。

提出一种新的光纤光栅综合方法，将Bragg光纤光栅的层剥离综合算法与光纤叠栅理论结合起来，层剥离综合算法根据需要的反射谱计算出光纤光栅的折射率分布，用多个带切趾函数的光纤叠栅来拟合这个折射率分布，通过改变各叠栅中的相关参数，可以得到适合需要的反射谱，相对误差一般小于4.0%。该方法具有简单、快速、易于实现的特点。

基于荧光淬灭原理的光纤氧传感器一直是许多研究工作的重点。介绍了一种制作简单、成本低的光纤氧传感器制造方法。该方法基于荧光淬灭原理，在光纤末端涂覆荧光材料铂八乙基卟啉（PtOEP）实现的。传感器中荧光材料被395nm的紫光激发，并由Y形光纤引导，使用广州犀谱光电USB2000+光谱仪记录荧光的发光强度时序图。最后得到的PtOEP的（I0/I100）-1的值为0.78，即光纤氧传感器的灵敏度为0.78，而且，斯特恩-沃尔默（Stern-Volmer）图显示出很好的线性特性。从氧气到空气环境的响应时间为24 s，从空气环境到氧气的响应时间是5 s。结果表明，基于荧光淬灭原理的光纤氧传感器具有较高的灵敏度和更快的响应时间。

报道了一种基于多波长类噪声脉冲的被动锁模掺铒光纤激光器。采用980 nm半导体激光器作为泵浦源，2.5 m长的掺铒光纤作为增益介质。锁模机制为非线性放大环形镜（NALM）。通过自相关迹证明输出脉冲为类噪声脉冲。该类噪声脉冲的光谱3 dB带宽可达17.2 nm，边模抑制比为47.7 dB，重复频率为5.434 MHz，单脉冲能量为7.9 nJ。为了实现平坦的多波长输出，在NALM结构中加入Sagnac环干涉仪，获得了最大波长数为5的平坦多波长类噪声脉冲，平坦度为1.995。