为了更好地实现多镜面大视场主动光学望远镜波前像差抑制、提升望远镜探测能力极限，本文基于望远镜视场边缘内置的错位型曲率传感器进行波前感知，并利用功率谱对波前感知结果进行分析，进而基于波前像差的空间频率特征进行调控。首先，基于复光场理论分析了非瞳面对系统波前调控的影响机理。其次，分析了本方法在多镜面大视场主动光学望远镜调控过程中的精度特性。再次，利用桌面实验对多镜面大视场主动光学望远镜调控的可行性进行了验证。最终，波前重建结果与理论波前相关性高于0.85。利用功率谱对各个视场的空间频率特性进行了分析，与单纯使用均方根对多镜面影响敏感度进行分析的方法相比，灵敏度提升了20%。

地铁隧道断面轮廓参数测量过程中，需要对高速激光雷达点云进行高精度系统标定。特别是大场景隧道环境，对标定模板要求高，标定过程复杂，检测精度影响大。针对此问题，本论文提出了一种新颖的适用于地铁隧道轮廓点云的标定方法，并基于双激光雷达测量系统，进行了算法研究。本方法设计了专用的手推行便携式标定系统，利用由点云数据提取的标定板线特征，建立目标函数，通过混合了遗传算法和Levenberg-Marquardt算法的非线性优化方法，寻找全局最优解从而实现对激光雷达的标定。实验结果表明：本方法对于两侧钢轨顶轨的标定误差在±1.5 mm以内；静态测量精度X误差在±1 mm内、Y误差在±4 mm内；当采集系统以5 km/h的速度进行数据采集时，动态测量精度X误差在±4 mm内、Y误差在±6 mm内。本方法能够实现激光雷达的高精度标定，算法鲁棒性强，具有易操作、环境适应性强的特点。

光子带隙光纤有着独特的结构形式、传输介质和导光机制，这使其具有传统光纤无法比拟的优点，是未来光纤陀螺的理想选择。但光子带隙光纤粗糙的纤芯内壁导致其产生强烈的背向散射次波，会使光子带隙光纤陀螺产生额外的非互易误差。为了定量分析光子带隙光纤背向散射次波强度大小，论文基于电偶极子辐射理论建立了一种简单的光子带隙光纤背向散射次波理论模型。通过聚焦离子束微纳加工法和原子力显微镜测量得到了准确的纤芯内壁表面形貌功率谱密度，进而计算得到HC-1550-02型光子带隙光纤背向散射系数理论值为2.61×10^-9/mm。通过光频域背向反射散射仪得到HC-1550-02型光子带隙光纤背向散射系数测量值为~1.82×10^-9/mm，初步验证了背向散射次波模型的正确性，为背向散射次波抑制技术研究奠定了基础。

为了实现煤热解过程中痕量乙烯（C₂H₄）标识气体的在线识别与检测，结合波长调制与长光程技术，搭建了煤热解乙烯在线激光吸收光谱检测装置。采用中心波长为1 620 nm通信波段DFB激光器作为激光光源，有效光程为15 m的多光程吸收池为样品吸收池，利用SR830进行波长解调，通过二次谐波信号反演得到乙烯浓度。使用高精度流量控制器，利用高纯氮气稀释乙烯配比，制备得到10×10^-6到90×10^-6的标准乙烯样气，其线性拟合的相关系数R²为0.998 9；对浓度为20×10^-6的乙烯进行连续4 000 s的Allan方差分析，实验结果表明，检测极限为121×10^-9。为了研究不同气体氛围下煤热解过程中乙烯浓度的演化规律，控制气体流速为150 mL/min，分别在氮气、空气以及合成空气中对乙烯标识气体的释放过程进行热重分析实验。研究发现，当温度小于500 ℃时，3种气体环境下乙烯释放量较少且基本一致，当温度在500~700 ℃时，氮气环境中乙烯释放量要远高于其他两种气体，但空气中乙烯释放的增速最快，最大释放量约为40×10^-6，温度高于700 ℃时乙烯释放量均开始减少。这一结果为进一步探索煤热解中乙烯的生成机理提供了理论和实验基础。

提出一种基于目标检测算法的柔性浅埋物的声-振智能探测方法，将声波激励、激光散斑干涉测振和目标检测算法有机结合，用以柔性浅埋物的大范围快速探测。在论述YOLO系列目标检测算法原理的基础上，选择并优化柔性浅埋物的智能探测网络模型；然后，搭建声-光融合智能探测系统，构建不同柔性浅埋物的激光散斑干涉条纹图数据集；最后，对数据集进行训练和测试，验证该算法用于干涉条纹图识别的可行性。实验结果表明：在给定实验条件下，柔性浅埋物智能探测网络模型的精确率为98.39%，召回率为84.72%，平均识别精度为99.66%。该声-振智能探测方法可以在给定实验环境下对多种柔性浅埋物的激光散斑干涉条纹图进行智能识别，适用于浅层地下柔性掩埋物的大面积快速探测。

为了实现在无外部供能下对紫外光的有效探测，基于Ag修饰的Bi₂O₃纳米块（Ag/Bi₂O₃）纳米块制备了自供能紫外探测器。通过煅烧法制备Bi₂O₃纳米块，随后采用室温溶液法在其表面沉积Ag纳米粒子，进而成功制备了Ag/Bi₂O₃纳米块，且对所制备样品的晶体结构和微观形貌等进行了表征。结果表明，Ag/Bi₂O₃纳米块的平均尺寸约为1 μm，且Ag纳米粒子随机分布在Bi₂O₃纳米块表面。将涂覆Ag/Bi₂O₃纳米块的FTO作为工作电极，并进一步构建了自供能紫外探测器。在365 nm的紫外光照射下，Ag/Bi₂O₃纳米块紫外探测器能在零偏压下实现对紫外光的快速检测，这证实其具有自供能特性。相比于Bi₂O₃纳米块紫外探测器，Ag/Bi₂O₃纳米块紫外探测器的光电流得到明显提升，上升和下降时间分别缩短至29.1 ms和40.2 ms，并具有良好的循环稳定性。

为了获得高性能和低成本的氧化锌（ZnO）基紫外光探测器，使用Ga掺杂ZnO（ZnO∶Ga）作为光敏层，采用水热法合成了不同Ga掺杂浓度ZnO∶Ga微米棒，Ga与Zn的原子比分别为0%（未掺杂），0.5%，1%，2%和4%。使用X射线衍射仪（XRD）测试所有样品的晶体结构，发现它们都为六方纤锌矿结构的ZnO。采用扫描电子显微镜（SEM）观察它们的形貌，都呈现棒状结构。进一步，制备叉指图案氟掺杂的氧化锡（FTO）导电玻璃基底，将不同Ga掺杂浓度ZnO∶Ga微米棒分别涂覆在FTO上，得到5种简单结构的紫外光探测器，系统研究了它们的性能。结果表明：所有ZnO∶Ga微米棒紫外光探测器对365 nm紫外光表现出良好的响应。其中，1% Ga掺杂ZnO∶Ga微米棒紫外光探测器性能最佳，经计算，在365 nm波长处，它的响应度、增益和比探测率分别为13.13 A/W （5 V），44.63 （5 V），3.31×10¹² Jones，响应时间和衰减时间分别为12.3 s和36.4 s。说明在ZnO微米棒中进行合适Ga掺杂能有效提高紫外光探测器的性能。该研究有助于基于ZnO∶Ga材料的紫外光探测器及相关器件发展。

针对具有精密旋转轴系类的高端制造装备或精密测量仪器，其旋转角度采用传统圆光栅难以消除偏心误差对测量角度精度的影响，提出了一种基于二维混合式位置编码的旋转角度高精度测量方法。该测角系统由一个二维混合式位置编码盘、两个CCD相机和远心镜头组成，二维混合式位置编码盘被固定在精密旋转轴系上以获得其旋转角度。然后，建立了测角模型并从数学上证明了测角精度与安装偏心无关。利用多齿分度台对已提出测角系统精度进行检测，测量角度误差在±1″。最后，利用已提出测量方法对直驱转台的角度定位精度进行测量，角度定位误差在±5″内。与传统圆光栅测角相比，该方法不需要考虑安装偏心误差对测角精度的影响，具有稳定性好、使用简单等特点，可用于角度定位误差的检测。

无人机在大机动运动时视场变化较大，在弱纹理环境下视觉特征易丢失，这降低了视觉距离测量的精度。针对此问题，本文将折反射全景相机与结构光相结合，进一步提出了融合结构光的折反射全景单目视觉测距方法。在本研究中，为了提高测距方法的精度以及处理速度，首先对结构光进行感兴趣区域（ROI）提取，并运用中值滤波对激光条纹图像进行去噪后，再采用改进的Steger算法进行亚像素级别的结构光光条中心坐标提取。其次，运用最小二乘原理对提取的亚像素点进行曲线拟合，得到结构光的曲线方程。最后，通过理论推导求取空间平面参数，建立测距目标函数，进一步求得距离信息。实验结果表明：在不同场景下，所提出测距方法的测距精度均在3%以内，证明了该方法的有效性。满足无人机在大机动运动条件下以及弱纹理场景中稳定可靠的测距需求，进一步提升了无人机环境感知能力。

为满足在瞬态条件、不同物距下获得稳定高质量序列图像的成像需求，设计了四通道序列前光高速成像系统。系统采用像空间平行分光，以成像原理为出发点，对系统的设计关键进行分析。以理论计算参数为设计依据进行分镜组（物镜组、场镜及准直镜租、汇聚镜组）设计并分别进行像差独立校正，加入场镜减小系统体积和重量，提升光能利用率，通过视场和光瞳的准确衔接提高光束的传输效果，在此基础上对分镜组进行整合优化，加入分光器件形成最终的四通道序列前光成像系统。设计物距可调光路，使用中通过调节物镜组手轮保证系统在0.5 m~∞物距下的成像质量，同时保持一次像面位置不变，增强系统性能稳定性的同时降低了装调难度。系统可根据实际需要对接收端进行更换，且在分光区域加入分光器件后可拓展至八通道系统。利用装调后的序列前光成像系统进行实验室检测和现场试验，其主要光学性能良好，各通道实测分辨率可达到72 lp/mm，成像一致性大于98%。现场试验结果表明，该光学系统可满足瞬态条件下序列图像的拍摄要求。