针对商用低精度惯性测量单元具有高成本、制造工艺复杂、废弃后污染环境、不能生物降解等缺点，提出一种低成本、可生物降解的木制惯性测量单元。该设计包含平衡振子和非平衡振子单元，分别用于测量3轴加速度和3轴角加速度。采用激光诱导石墨烯的工艺在木梁上制备应变传感器阵列，并形成多组惠斯顿电桥测量电路。结果表明：加速度方面，X轴灵敏度为0.006 mV/g，Y轴灵敏度为8.695×10^-4 mV/g，Z轴灵敏度为0.200 mV/g；角加速度方面，X轴灵敏度为0.285 mV/（rad/s²），绕Y轴旋转的灵敏度为0.305 mV/（rad/s²），绕Z轴旋转的灵敏度为0.765 mV/（rad/s²）。与有限单元法仿真结果对比，实验测量误差在10%以内，且具有良好的重复测量精度。该惯性测量单元在木制船舶、木制载具、木制家具等方面具有潜在的应用前景。

针对短靶距测速光幕靶的靶距无法直接测量的问题，提出一种采用双区截光幕测速装置标定靶距的方法。在测得弹道上两点速度后，依据弹道方程推导了飞行弹丸在两点间任意时刻的瞬时速度计算式；依据弹丸穿过标定用测速装置和被标定光幕靶的时间序列，给出了靶距标定公式。在弹丸飞行速度一定的情况下，分析标定用光幕靶的靶距和布放间距对标定误差的影响，并进行了实弹射击试验。试验结果表明，标定用光幕靶的靶距、布放间距及弹丸飞行速度在一定条件下，标定相对误差为0.8 ‰，所提方法能够用来标定各种原理的使用级区截测速用传感器的靶距。

针对深空探测超宽光谱定标黑体源的关键技术问题，构建了一种基于优化微结构和纳米超黑涂层的深空探测星上黑体定标源。基于有限元方法仿真，验证了微锥结构不同宽高比与黑体发射率间的对应关系，确定了周期性线阵V槽结构相对于平面结构在黑体发射率方面的提升作用。优化星上黑体源高发射率微结构，优选空间超黑高发射涂层，设计星上黑体源高精度测温系统，进而完成黑体源工程设计。最后，通过星上黑体源发射率计量及实验室辐射定标稳定性测试进行验证。检测结果表明，深空探测超宽光谱定标黑体源具有超宽光谱范围、高发射率、高温度稳定性等特点，其光谱范围为5~50 μm，法向平均发射率为0.986，温度稳定性达到0.16 K。该定标黑体源可大幅提升高发射率辐射定标源的光谱范围，为深空探测载荷的在轨高精度星上辐射定标提供支撑。

光学电压传感器在温度稳定性方面仍有亟待解决的问题，一是电光晶体在温度变化时存在温度梯度，导致表面温度与光路温度不等；二是晶体物性参数也会受到温度影响。为此提出一种基于温度场与双卡尔曼滤波（Dual Kalman，D-Kalman）参数估计的温度补偿方法。以锗酸铋晶体为研究对象，在对传感器输出信号进行交直流分离的基础上，先利用半解析法建立晶体暂态温度场模型，再分别通过卡尔曼滤波与中心差分卡尔曼滤波实现对晶体内部温度和初始温度下晶体折射率的状态估计，最后将修正参数与传感器输出信号高频分量相结合计算补偿电压。实验结果表明，传感器在外界温度为［20 ℃，40 ℃］以0.5 ℃/min速率不断升高的环境下，暂态温度场解析式的仿真精度在0.02%以内，实验测量精度在0.2%左右，补偿输出电压测量精度优于0.52%。与同平台下反向传播神经网络温度补偿效果以及不同平台下的补偿效果相比，该方法提高了传感器测量精度。

结合奇偶函数理论，提出了一种基于两平晶三面干涉测量平晶折射率均匀性的方法。该方法通过两块平晶3个表面之间的组合测量，对折射率均匀性引入的误差进行分部求解，生成4个随机波面作为初始3个表面面形和折射率均匀性误差，对其中的均匀性误差复原，结果与初始值仅相差0.6×10^-6，残差与平晶表面面形的低频信息无关，仅取决于折射率均匀性本身的旋转不变项。在100 mm口径Zygo干涉仪上完成了两平晶折射率均匀性检测实验。同时通过三平晶透射法对同一块平晶的折射率均匀性进行检测，将两种方法的测量结果进行对比。结果表明两平晶方法获得的折射率均匀性结果与透射法获得的折射率均匀性波面形状相同，指标结果仅相差0.2×10^-6，波面偏差峰谷值相差3 nm。分析了影响评估精度的误差项，旋转角度误差与对准误差的影响在实验精度条件下，均方根偏差均小于1 nm。实验结果表明所提出的两平晶三面互检方法能够有效地对平晶的折射率均匀性进行测量。

采用数字光栅投影技术对强反射表面物体进行形貌测量时，由于采集的图像出现局部过明或过暗的现象，造成测量精度下降。基于此，提出一种改进的自动多次曝光图像融合技术，首先通过系统灰度响应曲线确定合适的测量灰度值范围，并根据基准点拟合出相机响应函数，计算出所需的曝光时长和次数；其次，将相机采集的不同曝光时长下光栅条纹图像与投射纯白图像下制作的掩膜图像相乘并进行线性变换叠加，采用对数变化提升叠加后光栅条纹图的暗部区域细节；最后通过解相计算出被测物的三维点云数据。实验结果表明，该方法可以准确计算出曝光时长和次数，融合后的图像条纹清晰完整，对于具有强反射表面的标准块、水泵压板护套和回程盘，点云重建率分别达到99.80%、99.20%、99.40%，提高了强反射表面的形貌测量精度。

设计了一种外置光阑的针孔相机镜头，可免去传统方法复杂的相机标定过程，采用影像仪和三坐标测量机实现测量系统各元件空间位置的几何标定，并依靠相移算法实现屏幕与相机像素的精准匹配。实验结果表明，本文提出的偏折测量结果与干涉仪测试结果偏差优于20 nm RMS，可满足光学镜面加工研磨阶段到抛光阶段的过渡测量需求，为光学加工车间提供了可靠、经济、高效的面型评估，具有广泛的应用前景。

为满足气候监测、微光辐射计量、单光子计量等定量应用需求，设计了基于相关光子自校准的紧凑型三通道微光辐亮度计，其光谱范围为460~1 550 nm，辐亮度测量范围为1×10^-9~1×10^-6 W/（cm²·sr·nm）。设计时考虑整机的集成化、小型化和模块化，将8个光谱波段集成为三通道结构。其中可见光近红外波段采用自由空间耦合，短波红外波段采用多模光纤耦合方式。通过设计优化分析，微光辐亮度计的第一、二通道的聚焦光斑满足Si单光子探测器光敏面300 μm像元要求，第三通道的聚焦光斑满足多模光纤62.5 μm芯径和0.22数值孔径要求，三个通道的聚焦光斑均可被单光子探测器光敏面接收，满足设计目标，可为后续的工程化应用提供参考。

钢球的球体几何特性令表面上的缺陷难以连贯成像引起漏检或缺陷畸变被误判，且钢球的镜面反射效应可能造成缺陷信号被周围环境的像和高反亮斑淹没，导致缺陷漏检。为此，提出了一种基于光学暗场线扫描技术的钢球表面缺陷检测方法，设计搭建了一套适用于高反射率钢球的暗场线扫表面缺陷检测系统，开发了图像预处理、畸变校正、缺陷提取、点云重建、分割和过滤等算法，建立球面图像点间的空间几何关系，成功将钢球表面缺陷在三维球面上重构，实现了轴承钢球表面缺陷的三维连贯检测。实验结果表明，对表面完好的无损球测量重复性为0.14%，对表面带有缺陷的磨损球测量重复性为0.11%。

基于国产化的2倍迈克尔逊型干涉物镜组，优选配置0.5倍适配镜，对白光LED照明光源进行带通滤波参数的仿真估算和实验性能比较，构建了整套大视场白光干涉精密测量装置系统并进行了实验测试，通过白光干涉轴向响应实验曲线确定了中心波长。实验结果表明：通过光谱滤波获得了较为理想的白光干涉轴向响应曲线；系统的水平最大视场达到了14 mm；高度为2.04 μm和20.43 μm的标准台阶样品的测量结果分别为2.05 μm和20.47 μm，10次测量重复精度（标准差）分别为12 nm和16 nm。对粗糙度样板、微机电系统传感结构和半导体晶圆膜层进行了实测，表明所研制的系统装置在三维光学无损精密检测领域的应用具有可行性。