为了提高天文观测的效率，需要对夜间地基光学天文观测中薄云的识别和影响程度评估的算法进行研究。首先，分析了云对地基光学天文观测的影响和传统地基云图的算法后，选取大视场地基光学天文设备地基广角相机阵（GWAC）的图像进行研究。其次，通过GWAC图像的灰度分布等特性的对比分析，选取模糊C均值聚类（FCM）算法处理受薄云影响的GWAC图像。然后，应用FCM算法，通过重复多组实验，选定合适的聚类层次数、迭代次数和平滑因子等关键参数。最后，将FCM算法结果与传统天文学的恒星消光方法进行比较。设置平滑因子为1.5，聚类层次数为5，经过10次循环迭代计算后，FCM算法将夜晚的天空背景聚类成5个层次。层次分布结果与目测云层厚度分布相符，且与更精确的传统天文学恒星消光方法的结果也吻合。对于大视场地基光学天文图像中的薄云，FCM算法可以有效地识别并分析出其厚薄分布结构，即能对薄云的影响程度进行分级评估。此FCM算法有望结合更大视场的鱼眼镜头和CCD相机的监测设备，研发出一类自动监测和实时评估云层分布和影响程度的专用设备，提高地基光学天文观测的效率。

针对外场大场景视频监控需求, 分析研究了单台全景摄像机全景图像缺点, 多台全景摄像机多路全景图像拼接融合难点和拼接融合算法原理, 设计了一种多路全景图像拼接融合算法。研究结果认为, 该算法设计合理, 可有效拼接融合多路全景图像, 具有良好的视觉观感和图像质量, 可对提升外场全景监控能力提供借鉴。

针对试验外场伪装网破损检测需求, 分析研究了伪装网破损危害、检测原理、试验布局和基于图像处理的目标破损统计方法, 设计了一种基于双光谱成像的伪装网破损检测系统。研究结果表明, 该系统设计合理, 可远程非接触监测, 能够有效检测伪装网破损情况, 用于伪装网破损情况评估和维护。

为了探究大气湍流对深空激光通信的影响, 从理论上讨论了Gamma-Gamma分布的大气信道模型和抑制大气湍流的手段。建立了基于组阵收发的深空激光通信系统模型, 对不同湍流条件下的系统误码率进行仿真。仿真结果表明: 在信噪比为20 dB时, 弱湍流环境的下行链路通信误码率比强湍流低4个数量级; 大气湍流强度增强时, 系统的通信误码率增大; 在同等湍流强度下, 大气湍流对于上行链路通信性能的影响比下行链路更大。

有效探测海洋物质垂直分布，对开展海洋生物地球化学循环过程研究、维持海洋生态健康和资源利用都起到至关重要的作用。相比于其他探测技术，激光雷达探测海洋物质，具有全天候、时空分辨率高、能够快速、高效地获得其垂直分布信息的优势。基于不同的探测机制，通过对其国内外海洋激光雷达应用情况的分析，涉及海水浊度、叶绿素浓度、CDOM、以及鱼群和浮游生物群落分布等多个方面，对目前激光雷达技术探测海洋物质垂直分布时存在的问题进行讨论，进而对该技术的发展趋势总结出若干观点。

光子晶体光纤(PCF)的内部结构及材料对传输特性具有重要影响, 构建PCF的仿真模型能够快速有效地优化光纤的设计和缩短研制周期。采用全矢量有限元数值仿真方法, 研究了结构参数对PCF的模式特征、双折射、非线性、有效面积、限制损耗和色散等特性指标的调控机制, 并通过在纤芯中心位置引入轴对称分布椭圆形空气孔的方式, 实现了在1.55 μm波长处获得了高达1.39×10-2的双折射、10-7量级的限制损耗和高达37.98 W-1·km-1、44.39 W-1·km-1的HE■■、HE■■非线性系数, 以及在0.8~2.0 μm波段获得了色散值为-1.3±0.3 ps/(km·nm)的近零色散平坦。

叶绿素浓度是海洋初级生产力的重要指标之一, 激光诱导荧光技术可以实现海水叶绿素浓度的快速测量。 测量叶绿素浓度的传统激光诱导荧光原理, 是利用叶绿素荧光与水体Raman散射的强度比值(IF/R)进行反演, 即叶绿素浓度nchl＝CIＦ／Ｒ, 其中C为系统常量。 这是依据叶绿素荧光685 nm、 水体Raman散射强度都与激发光强呈线性关系。 然而, 该理论并没有考虑诱导荧光饱和现象的存在。 当诱导激光强度达到一定程度后, 685 nm荧光强度随激发光强非线性变化。 另外, 值得注意的是, 水体Raman散射并不存在信号饱和现象。 为了探讨饱和激发造成荧光非线性变化的影响, 在激光诱导荧光技术测量叶绿素浓度的实验中, 设计两种测量方案, 即: 不同激光功率诱导单一浓度样本的荧光测量, 和固定激光功率时不同浓度样本的荧光测量。 实验中利用Nd∶YAG三倍频激光355 nm激发获得叶绿素溶液的404 nm处 Raman散射和685 nm荧光。 实验结果分为2部分进行讨论: (1)为了分析饱和激发造成荧光变化的非线性特性, 通过调节激发光功率测量溶液的受激发射光谱, 发现水体Raman散射强度与激发光强呈线性关系, 而685 nm荧光强度出现饱和激发下的非线性变化。 而且, 随叶绿素浓度的增加, 685 nm荧光的非线性趋势更为明显, Raman散射强度与激发光强的线性关系中斜率变小。 数据分析表明, 685 nm荧光数据拟合的4阶多项式和Raman散射效率值, 可以定性地表征685 nm荧光的饱和程度。 (2)考虑实际海洋激光雷达探测叶绿素浓度应用中存在饱和激发荧光非线性现象, 为了分析荧光非线性对传统叶绿素浓度反演理论适用性的影响, 在固定激发光强情况下对不同浓度叶绿素溶液的发射光谱进行测量。 将激发光功率调节至52.00, 80.70, 132.10和197.30 mW·cm-2, 获取相应激发光强下685 nm荧光与水体Raman散射的强度比值和叶绿素浓度之间的关系。 实验表明, 激发光强不变的情况下, 685 nm荧光与水体Raman散射的强度比值, 与叶绿素浓度仍满足线性关系。 但是, 在较高光强激发时, 饱和激发造成的叶绿素荧光非线性变化, 导致利用传统激光诱导荧光理论反演的叶绿素浓度值偏小。 因此, 需要对饱和激发下荧光非线性的影响进行修正, 其关系为IF/R=nchl/C+CF, 修正值CF不可忽略。 另外, 值得一提的是, 修正关系中系统常量C随激发光强增加而增大。 研究表明, 饱和激发造成的荧光非线性, 会对激光诱导荧光技术测量叶绿素浓度产生影响, 但由于造成荧光非线性因素的复杂性, 仅通过荧光数据拟合获得的多项式, 无法定量说明其影响权重。 然而, 当激发光强不变时, 可以实验测量获得基于激光诱导荧光原理的修正关系, 从而准确反演叶绿素浓度。

多次散射是影响激光雷达探测水体光学特征参数(包括吸收系数a,衰减系数c,漫射衰减系数Kd)的重要因素,而视场(field of view, FOV) 是造成接收回波中多次散射比重差异的关键参数。基于Mclean-Walker海洋激光雷达模型,引入接收视场参数θrcvr,分别针对船载、 机载和星载平台激光雷达进行探测回波计算,假设探测高度依次为10, 300, 7×105 m,在接收视场变化情况下分析多次散射因子对反演 水体光学特征参数的影响。结果表明,利用水体中激光散射回波反演水体光学特征参数的方法中,假定激光准直入射, θrcvr与探测高度H 是影响反演结果的直接因素,激光雷达衰减系数Klidar的物理意义随之变化,当θrcvr近似为0时Klidar 反演值为衰减系数c,随θrcvr×H增大, Klidar反演值逐渐接近于Kd。

激光雷达回波中的多次散射量决定了衰减系数K_Lidar,从而对水体光学特性参数的反演产生影响。目前的海洋激光雷达理论中,均以Walker-McLean模型和多次前向-单次后向散射模型的公式形式表示多次散射分量。根据水下激光传输机制,分析了这两种模型中多次散射因子的等效性,并将其多次散射项进行对比,讨论了利用这两个模型反演水体光学特性参数的异同。对比两种模型的散射相函数发现,Walker-McLean模型更符合实测情况;多次前向-单次后向散射模型适应于前向散射极强的介质。在激光刚进入水体时,其水体光学特征参数反演值会偏低,并随着多次散射次数的增加而变得偏高。

为了有效对抗时间延迟积分电荷耦合器件成像设备的干扰,采用脉宽为10ns、波长为1.06μm的脉冲激光对其进行了干扰实验.分析了干扰现象与机理,采用数字图像处理方法测量了饱和阈值.结果表明,当激光能量密度为1.33mJ/cm2时,时间延迟积分CCD达到饱和;提高激光重复频率可以取得更有效的干扰效果.