拉盖尔-高斯（LG_0l）涡旋光束携带光轨道角动量，提供了额外复用自由度，可以极大提高光通信容量，实现该涡旋光束光斑半径的精确测量对其应用具有重要意义。刀口法由于廉价、方便、精度高、适用于较大功率的测量等优势，是测量光斑尺寸及束腰尺寸的理想方法。然而，以往刀口法的研究主要集中在基横模高斯光束上，尚缺少关于刀口法对LG_0l涡旋光斑的测量研究。本文对基于刀口法的LG_0l涡旋光斑尺寸测量进行了详细地理论分析和实验研究。理论分析中给出了刀口法测量LG_0l涡旋光束的原理；实验上将螺旋相位板对基模高斯光束调制后产生的光束当作LG_0l涡旋光束的近似，并采用刀口法测量了该LG_0l（l=0，1和2）涡旋光的光斑；借助Mathematica程序数值拟合了实验测量的横向光场强度分布结果，得到了不同LG_0l涡旋光束的光斑半径。根据光斑半径的特点可得出：经低涡旋阶数的螺旋相位板调制之后，基模高斯光束可变为相应涡旋阶数的LG_0l涡旋光束，变换前后光斑半径基本保持不变。

调制传递函数(Modulation Transfer Function,MTF)是光学卫星相机成像质量评价的重要参数之一,在轨MTF检测关系到遥感数据的应用和未来遥感相机的发展。针对目前对地观测中广泛应用的光电成像系统,以反射点源阵列、辐射状靶标和大面积刃边靶标等便于数学描述的特殊点线面目标作为参照,依据MTF的物理定义,通过亚像元位置检测与参数化模型拟合等,对卫星相机进行了在轨MTF检测。实验结果表明:点源法是最严密的检测方法,可以全面表征遥感相机的成像能力;方波法在大面积靶标配合下,能直接获取成像系统在奈奎斯特频率处的MTF值;刃边法是光学相机常用的检测方法,但是仅能获取沿轨与垂轨方向的MTF。三种方法所得的在轨MTF的检测结果具有较好的一致性,最大相对误差优于6.00%。这些方法各有特点,其适用性存在一定差异。

根据空间探测相机在轨工作状态及成像特点,结合调制传递函数(MTF)常用测试方法,利用月球边缘刃边法,对其进行了在轨MTF检测。该方法将月球边缘与深空背景形成的高对比度线状边缘图像作为测试目标,使用仿真手段分析每个环节多种处理方法的计算精度及运行速度,形成了优化的月球边缘刃边法在轨MTF检测流程,其中在边缘扩展函数(ESF)处理环节,使用修正的Savitsky-Golay滤波器组合双高斯拟合法,得到了准确的ESF,同时有效抑制了噪声。仿真和实验结果表明,该方法对信噪比高于30 dB图像的测试精度达到0.02,能实现相机焦面位置和MTF的准确标定。

根据色散型成像光谱仪静态和扫描成像两种工作模式的特性, 提出了通过狭缝法测试成像光谱仪系统静态的调制传递函数(modulation transfer function, MTF), 通过刀口法测试系统扫描成像的MTF的完整的测试方案, 并给出了测试实例。刀口法给出了系统扫描成像时沿扫描方向和垂直扫描方向的MTF; 狭缝法采用虚拟狭缝代替成像光谱仪的自身狭缝测试了系统静态时的MTF, 两者测试结果基本吻合。虚拟狭缝法对于其他存在狭缝的成像光谱仪系统成像质量的测试具有借鉴意义。

提出一种能高准确度测试光电成像系统调制传递函数的改进的倾斜刃边法.利用一种自动确定高低阈值的改进Canny算子提取边缘位置点, 对提取到的边缘位置点进行线性拟合求得刃边倾角, 在利用费米函数拟合边缘扩散函数的过程中, 提出一种邻域平均值和设定误差容限的多重去噪改进方法.通过仿真与物理实验证明了本文方法的有效性, 并分析了刃边倾角、噪声变化对本文方法与传统方法MTF测试准确度的影响.实验结果表明: 本文方法的调制传递函数测试准确度达到0.004 9, 重复准确度达到0.003 1, 皆优于传统方法; 说明其具有较高的测试准确度和良好的测试重复性, 并且具有较强的抗噪性, 基本不受刃边倾角变化的影响.

在红外遥感图像复原过程中,一般是采用刃边法获得调制传递函数的。然而,该方法存在图像刃边位置难以确定,以及提取的像素点较少等缺点。为了解决上述问题,实验设计了一种新的调制传递函数测量方法,通过直接移动刃边来观察一个像素点在刃边附近灰度值的变化情况,然后对这些数据点依次进行拟合、微分、傅里叶变换等步骤就得到系统的调制传递函数,最后,用逆滤波和维纳滤波进行图像复原。实验结果表明,通过该方法得到MTF后进行图像复原效果较好。

理论研究了刀口测量法中激光光斑宽度测量误差与位置测量误差对光束质量因子M2、远场发散角、束腰半径以及束腰位置的测量误差的影响, 并通过光束质量分析仪对理论研究结果进行了验证。结果表明, 相比纵向位置测量误差, 激光光斑宽度测量误差对光束质量的影响更大。

为完善医用硬性内窥镜成像质量的检测方式,设计了基于刀口法的内窥镜调制传递函数测量系统。建立了刀口扫描法的理论模型,通过CMOS对高精度扫描的刀口像的灰度值进行采样获得刀口扩散函数,再将其进行微分和傅里叶变换得到内窥镜的调制传递函数。实验对0°鼻窦镜进行多次测量,经过分析计算得到的调制传递函数曲线较为稳定,结果表明该系统能够实现对内窥镜调制传递函数的自动化测量。

提出了一种在倾斜刃边法的基础上进行部分改进的方法。该方法由Canny算子检测采集到的图像中的刃边分割位置, 结合刃边图像直方图呈双峰性的特点, 利用类间方差最大化阈值分割算法(Otsu)计算对Canny算子性能具有决定意义的高阈值。以刃边区域中每行的质心为ESF中心位置, 以0.1亚像素间距对Canny检测下每一行的分割位置及其刃边邻域像素进行离散采样, 将获得的二维刃边信息数据沿着刃边方向整体投影成一维数据, 得到提高采样率下平均处理的ESF。增加了测量结果的信噪比, 运用该方法进行了实验室CCD相机整机系统的调制传递函数测试, 对实验中影响MTF测试精度的因素进行了分析。实验测得在奈奎斯特频率处与理论值误差在5%以内。