为了深入了解大气折射的相关进展，本文从其影响、公式发展以及修正原理等方面进行了介绍。针对大气折射的影响，本文根据研究领域涉及的波段不同，将其划分为应用于光学成像、激光传输和光电跟踪等领域的可见光到红外波段，以及应用于雷达测量和卫星探测等领域的无线电波段。这两个波段在实际处理过程中选取的计算公式是不同的。根据折射率公式的发展历史对折射率公式进行介绍，并指出了各公式的局限性。目前对于前者波段公式的最佳选择是Rüeger学者所总结的公式，而对于后者建议选择ITU-R P.453-13建议书中的无线电折射率公式。最后介绍了获取大气折射率的传统计算方法和光学测量方法。传统计算方法是基于大气模式或气象数据建立的模型，通过公式计算或模型拟合来确定特定区域的折射率。这种方法在单一环境或平均范围内具有一定的准确性。而光学测量方法不需要大气模型作为基础，更不用依赖气象参数，测量结果数据实时性高、更具路径代表性，能弥补一些传统方式的弊端，更符合未来的发展趋势。

在非厄密系统中，调节系统的增益或损耗可以使系统状态从PT对称向PT对称破缺转变，转变过程中存在一个特殊的状态转变点，使得系统本征值和本征态同时简并，该点称为奇异点。奇异点结合超构表面产生了许多有趣的光学现象：不对称传输、拓扑相位、非厄密趋肤效应等。然而引入增益的有源超构表面在实验上很难实现，因此利用系统损耗构建虚拟增益的无源超构表面成为非厄密研究的有力武器。本文将从无源非厄密超构表面奇异点的理论模型、研究进展、具体应用和实验设计4个方面进行综述，并对该领域未来的发展方向进行展望。

液晶光学相控阵被广泛应用于激光雷达、激光通信以及激光武器，进行激光光束的扫描控制。为了实现液晶相控阵的最优设计和激光光束高精度控制，本文重点研究了工作波长、像素数、像素尺寸及有效灰度数对光束指向精度的影响规律。首先，根据液晶相位调制原理，仿真分析了周期光栅法和变周期光栅法的有效扫描角度和衍射效率；然后，基于驱动电压灰度等分相位调制量，仿真分析了指向误差随工作波长、像素数、像素尺寸以及有效灰度数的变化规律，推导出多变量普适公式；接着，仿真分析了驱动电压灰度非等分相位调制量时的指向精度，并和等分相位调制量的结果进行对比分析；最后，实验验证了有效灰度数、像素数和指向误差的关系，初步证实了经验公式的有效性。本文的研究结果可为液晶相控阵的设计提供理论依据。

高反光表面复杂的反射性质会使面结构光测量时出现过度曝光和曝光不足的问题。为完整准确地重建被测表面，本文提出一种能根据被测表面反射强度预测曝光时间的多重曝光方法。首先，通过投射一系列不同曝光时间下的均匀灰度图像获得成像系统的相机响应曲线，同时计算得到能反映被测表面反射强度的辐照度图像。然后，通过模糊C均值聚类方法，自适应分割目标不同辐照度区域并获得各区域的中心辐照度，利用相机响应曲线预测不同反射区域的最优曝光时间。最后，结合多重曝光融合算法实现对高反光表面的三维重建。实验结果显示，所提方法能同时重建铝合金表面的强烈反光区域和过暗区域，重建误差小于0.5 mm，最大偏差降低了74.78%，标准偏差降低了48.96%。上述结果表明，所提方法能根据区域反射特性准确预测曝光时间，有效克服区域过曝和区域过暗带来的相位缺失和相位失真问题，完整准确地重建了高反光表面的不同反射区域。

为了满足强激光系统对于合束光栅的宽带、高衍射效率及偏振无关的需求，本文提出了一种具有双层梯形结构的偏振无关合束光栅。首先，基于严格耦合波理论，建立了一种以粒子群优化算法为核心的偏振无关合束光栅设计模型，通过随机生成特征波长实现效率特性寻优。然后，详细分析了单层梯形和双层梯形结构光栅的槽深、占宽比、侧壁倾角等结构参数对光栅衍射效率及带宽的影响。最后，对两种结构光栅的电场增强特性进行分析讨论。结果表明，双层梯形结构偏振无关合束光栅在51 nm（1038~1089 nm）带宽范围内实现99%以上的理论衍射效率，相比传统单层梯形结构具有更大的工艺容差，容差范围内均满足30 nm带宽和98%的高衍射效率，同时具有更低的光栅近场增强，可以拥有更强的抗激光损伤能力。本文提出的宽带高衍射效率双层梯形结构光栅可以提高激光系统的输出功率，在激光合束领域具有重大的应用价值。

本文设计了一种高灵敏度温度和压力传感器。该传感结构利用膜片将压力传递给双铰链杠杆结构，采用光纤布拉格光栅(FBG1)作为应变传感器实现压力的测量。此外，双铰链杠杆的引入有效提升了传感器的压力测量灵敏度。仿真和实验测量结果证实，该传感器在0~18 MPa的测量范围内，灵敏度达到453.16 pm/MPa。同时，将另外一支光纤布拉格光栅(FBG2)粘贴在杠杆上，以消除压力测量过程中的温度交叉敏感问题，从而实现温度和压力的同时测量。在25~65 °C测量范围内，温度灵敏度为10.41 pm/ °C。由于光纤传感器的抗电磁干扰特性，该类传感器可用于苛刻环境中的温度和压力测量。

目前中波红外变焦系统在大变倍比，长焦距变焦条件下，难以在极短总长的条件下具备较低敏感度。针对这一问题，本文通过合理分配非球面和衍射面，采用独立组元低敏感度设计方法，设计出一套无需折叠光路，总长仅有337 mm的低敏感度中波红外变焦光学系统。通过降低各个组元的像差从而降低系统公差敏感度。该系统具有30倍大变倍比，可实现30～900 mm的长焦距连续变焦。该系统具有变倍比大、长焦距变焦、极短总长以及低敏感度并且全焦距范围内像质良好等优点，在狭小空间目标识别、跟踪、探测等方面，具有较大的应用优势。

电润湿三液体透镜具有优秀的变焦性能，但其结构复杂度和设计难度较大，因此，本文提出了一种基于联合仿真的电润湿三液体透镜结构参数优选方法。在设计某三液体透镜时，利用Comsol和Zemax软件建立了不同结构参数下的三液体透镜仿真模型，得到了其在不同电压下的焦距，分析了高度和锥度对变焦范围和初始焦距的影响，确定了变焦范围最大且初始焦距最长的一组结构参数。为了验证该方法的可靠性，制备了不同高度和锥度的三液体透镜模型，并进行变焦实验。仿真与实验结果表明：三液体透镜的初始焦距与高度和锥度正相关；变焦范围与锥度正相关，但高度为主要影响因素；当高度为12 mm，锥度为20°时，透镜变焦范围最大，初始焦距最长。当锥度小于15°时，仿真与实验结果的吻合度较高。

针对现有镜头畸变参数估计方法存在精度低、易陷入局部最优解的问题，提出了一种基于改进天鹰优化算法的折反射全景相机镜头畸变参数方法。首先，通过融合混沌映射、自适应调节策略和通讯交流策略，增强了天鹰优化算法的寻优能力，解决了其收敛速度慢且容易陷入局部最优解的问题；其次，通过空间中直线对应的畸变边缘和单参数除法模型推导并确定畸变参数分布范围；然后，构建包含畸变参数的优化目标函数；最后，采用改进的天鹰优化算法对优化目标函数寻优求得最佳畸变参数。通过对标准图库图像和全景图像的校正结果进行分析，本文提出的方法估计的主点误差在0.5 pixel以内，径向畸变系数误差在2.5%以内，能够有效估计镜头畸变参数并实现全景图像畸变校正。本文方法提高了视觉导航系统在环境感知任务下的图像质量，在工程应用中具有潜在价值。

拼接弧线电机凭借其高转矩比和低速稳定运行等优点，为大口径天文望远镜观测提供了高性能驱动技术支持。电机运行过程中存在的如参数畸变、谐波等其他内外部干扰，都对提高电机性能提出了挑战。因此，本文提出一种基于新型趋近律的积分滑模控制器，同时结合扩张状态观测器与负载观测器的混合控制策略，旨在优化传统滑模控制并增强系统的抗干扰能力。传统趋近律参数较为繁杂且不能很好地抑制抖振，新型的趋近律简化了参数，有效克服了系统抖振。其次，采用扩张状态观测器对反馈转速进行估计，然后结合q轴电流信息和估计出的转速数据作为负载转矩观测器输入，进一步提高了负载观测性能，并将负载观测值转换为电流进行前馈补偿，用以提高电机的抗干扰性能。仿真和实验结果表明：所提出的双观测器方法能够有效观测电机的转速和负载值，显著增强了电机的抗负载扰动能力；同时，采用新型滑模速度控制器降低了电机转速超调量，并在一定程度上抑制了滑模抖振，为弧线电机在大口径天文望远镜的高精度观测应用提供了理论和实验支持。

为了实现对短距光纤数据通信系统接收端非线性损伤的低复杂度均衡，提出了一种基于全连接神经网络的接收端均衡算法。这是一种引入判决反馈结构的判决反馈神经网络。非线性畸变是由线性工作区与实验系统不匹配的光电探测器引入的，在此基础上实现了基于C波段直接调制激光器的56 Gbit/s PAM4信号的20 km传输验证实验，并对判决反馈神经网络和其他均衡方案的均衡性能进行了对比实验。实验结果表明，相比全连接神经网络，改进方案在传输距离为20 km时灵敏度提升2 dB。改进方案可以很好地均衡光电器件的非线性，且计算复杂度更低，具有很好的应用意义。

快速反射镜的工作环境一般比较恶劣，容易受到振动冲击、温度变化等影响，导致故障。本文针对最为普遍的恒偏差故障，提出了一种基于线性矩阵不等式（linear matrix inequality, LMI）的故障观测器设计方法，旨在提高故障检测的可靠性，增强快速反射镜的稳定性以及抗干扰能力。首先，采用基于汉克尔（Hankel）矩阵的模型辨识方法得到了考虑耦合效应的两轴快速反射镜模型。然后，建立了快速反射镜系统的故障模型，采用基于LMI的方法对快速反射镜的故障观测器进行设计。最后，通过仿真与实验对该方法进行验证。结果表明，当快速反射镜的两轴发生执行器和传感器恒偏差故障时，基于黎卡提（Riccati）方程的故障观测器只能检测出其中一个轴的故障，基于LMI的故障观测器对X轴能在故障发生后0.1 s内检测出故障，对Y轴能在故障发生后0.06 s内检测出故障。上述结果表明本文设计的LMI故障观测器能够更加准确地实现对快速反射镜的故障检测。

红外数据作为信息化数据库的重要组成部分，在夜视侦察、武器制导、远程预警等方面具有广泛应用。红外辐射特性测量系统在环境温度变化时会产生温漂，从而导致目标的红外反演精度受到较大影响。针对该问题，本文提出一种基于环境温度自适应修正的内外联合定标方法。通过自适应插值的方式对环境温度变化的影响进行修正。以高精度面源黑体作为目标进行辐射反演测量试验。实验结果表明：最小误差为6.82%、最大误差为10.21%。同时对水上动态目标开展辐射特性反演实验，得到高置信度的实测目标辐射特性数据。通过黑体以及水上动态目标的测量试验可以得到：本方法可以在海洋气候复杂环境下实现环境温度变化对辐射反演精度的影响修正。验证了所提出的定标算法的有效性，同时可以基于修正参数进行红外系统环境温度敏感性的有效评估测试。

涡旋光束阵列在自由空间光通信领域有很大的应用价值。本文采用多相位屏模拟大气湍流，研究了径向高斯涡旋光束阵列在大气湍流环境中传输的光场演化过程和轴上闪烁特性，分析了不同初始光束参数对径向高斯涡旋光束阵列的轴上闪烁指数的影响，并将其与单束高斯涡旋光束的轴上闪烁指数进行对比。研究结果表明：在弱湍流区域，rytov指数小于0.5时，单束高斯涡旋光束的轴上闪烁指数一直保持在小于1的数值区域，远小于径向高斯涡旋光束的轴上闪烁指数；而在中等强度湍流区域，径向高斯涡旋光束阵列的轴上闪烁指数小于单束高斯涡旋光束的轴上闪烁指数。此外，还发现径向高斯涡旋光束阵列的轴上闪烁指数会随着轨道角动量值的减小和径向阵列半径的增大而减小。研究结果对于大气湍流环境下的涡旋光通信具有一定的理论意义和应用价值。

为提升低轨卫星与地面站间激光链路的通信质量，商业地面站内望远镜配备的大口径主镜需适应户外环境中恶劣的温度条件。针对某通光口径$\Phi $500 mm的高精度主镜组件，提出一种使用室温硫化硅橡胶的中心支撑方案。镜体采用微晶材料，衬套和支撑筒均为钛合金材质。1 mm厚的胶层在卸载镜体自身重力的同时，可有效减小组件内部热应力。胶层的厚度和高度可通过仿真优化确定，特制的粘接工装可准确控制胶层形状和厚度，衬套上的通气孔促进了胶层的充分固化。仿真分析表明：主镜在40 °C温度均匀变化工况下的面形精度RMS值为4.199 nm；光轴竖直重力工况下的RMS值为13.748 nm；光轴水平重力工况下的RMS值为4.187 nm，镜体最大倾角和位移分别为4.722″和3.597 μm，组件基频达到53.45 Hz；实测主镜的面形精度为RMS 0.017λ (λ=632.8 nm)，经大范围高低温循环试验及真空镀膜后，主镜均可保持高精度面形。文中支撑结构可以显著提升高精度反射镜的温度适应能力，在地面大型光电设备中具有广阔的应用前景。

粒化是柑橘类水果常见的一种内部病害，患有该病害的水果外部特征并不明显，难以从外观上直接识别出来。本文使用微型激光多普勒测振仪（micro-LDV）和共振喇叭搭建了一套声学振动实验装置，将其用于采集“爱媛38号”果冻橙的振动响应信号。然后，将一维的振动响应信号转换为振动多域图像，并构建了一个Resnet-Transformer（ResT）网络，用于提取振动多域图像中的深层特征，以识别果冻橙粒化病。本文中，使用振动多域图像分别训练ResT、Resnet50和Vision Transformer（ViT）模型，并将ResT的性能与Resnet50和ViT进行比较。最后，使用振动多域图像纹理特征或振动频谱特征训练偏最小二乘判别分析（PLS-DA）和支持向量机（SVM）模型，并与ResT模型进行性能对比。结果表明，使用振动多域图像训练的ResT模型可以精准识别果冻橙粒化病并且检测准确率为98.61%，模型的F1为0.986、精确率为0.986、召回率为0.986。由上述结果可知，提出的方法可在简单、快速、低成本的前提下准确识别粒化果冻橙。

为了提高压电定位系统（Piezo-positioning system）的控制性能，对迟滞特性产生的影响及其补偿控制方法进行了研究。利用Hammerstein模型表征压电陶瓷定位器的动态迟滞非线性特性，分别以Prandtl-Ishlinskii（P-I）模型和Hankel矩阵系统辨识法求得的模型表示Hammerstein模型的静态非线性部分和动态线性部分。此模型对于200 Hz以内的典型输入频率具有较好的泛化能力。在此基础上，还提出了基于P-I逆模型与积分增广的滑模逆补偿跟踪控制策略。实验结果表明，相较于PID逆补偿控制和无逆补偿的滑模控制，滑模逆补偿控制具有更加理想的阶跃响应，无超调且调节时间仅为6.2 ms，在频域内系统闭环跟踪带宽达到119.9 Hz，且扰动抑制带宽达到86.2 Hz。所提控制策略实现了迟滞非线性的有效补偿，提高了压电定位系统的跟踪精度与抗扰性能。

激光二极管由于载流子泄漏严重，在波导区域发生非辐射复合，进而降低了输出功率和电光转换效率。本文设计了一种新型外延结构，通过在有源区两侧势垒和波导层之间分别插入n-Ga_0.55In_0.45P和p-GaAs_0.6P_0.4材料，调控能带结构，增大了阻挡载流子泄漏的势垒高度，抑制了载流子泄漏。研究结果表明，相较于传统结构器件，泄漏电流密度降低了87.71%。在25 °C注入电流密度为5 A/cm²时，新型外延结构的非辐射复合电流密度降低至37.411 A/cm²，输出功率达12.80 W，电光转换效率达78.24%。此外，在5 °C~65 °C温度变化范围内，中心波长的温漂系数为0.206 nm/°C，阈值电流随温度变化的拟合直线的斜率为0.00113。本文所设计结构为制备高功率激光二级管提供了理论依据。

长周期光纤光栅因具有体积小、耐腐蚀、抗电磁干扰和灵敏度高等优点，广泛应用于生物医学、电力工业以及航空航天等领域。本文研制了一种基于周期微通道的长周期光纤光栅传感器。首先通过飞秒激光微加工在单模光纤的包层中刻蚀出一系列直线结构，然后通过湿法腐蚀技术对激光改性区域进行选择性腐蚀以获得周期性微通道结构，最后在通道中填充聚二甲基硅氧烷（PDMS）以改善光谱质量。实验结果表明，该传感器可以进行温度、应力、折射率和弯曲等传感参数测量，具有良好的传感灵敏度。温度灵敏度为−55.19 pm/°C，应变灵敏度为−3.19 pm/με，最大折射率灵敏度为540.28 nm/RIU，弯曲灵敏度为2.65 dB/m⁻¹，且均表现出良好的线性响应。该传感器在精密测量和传感领域有良好的应用前景。