同心阵列系统具有小型化与大视场的优势，通过探测器的拼接可实现更大视场高分成像。为了进一步实现大视场系统结构的小型化与轻量化，本文采用伽利略型同心阵列结构形式，设计了一款工作在可见光波段，全视场大小为65°，焦距为19 mm，F数为4.7，总长为44.3 mm的同心阵列系统。在特征频率208 lp/mm处系统的调制传递函数大于0.3，全视场弥散斑均方根半径均小于探测器像元尺寸2.4 μm，成像质量接近衍射极限。由于同心阵列系统结构的特殊性，其中继系统排布紧密，导致各中继系统间的串扰杂散光严重影响成像质量。针对该问题，本文采用内置消杂光光阑方法抑制串扰杂散光，并对光学系统的杂散光进行仿真分析。分析结果表明，在加入消杂光光阑后，杂光系数均降低至1×10⁻⁶以下，验证了串扰杂光抑制方法的有效性。

本文提出了一种基于宇称时间对称与饱和吸收效应的宽可调谐高光信噪比布里渊光纤激光器。这种新型布里渊光纤激光器是通过使用保偏掺铒光纤Sagnac环实现宇称时间对称和饱和吸收效应的。保偏掺铒光纤Sagnac环是由一个保偏掺铒光纤、一个耦合器和两个偏振控制器构成的。利用保偏掺铒光纤固有的双折射特性，在注入Stokes信号时形成两个处于正交偏振态的反馈环。其中一个环路在Sagnac环内提供顺时针方向的增益，而另一个环路在逆时针方向产生损耗。当饱和吸收效应参与的受激布里渊散射增益和损耗相平衡，并且增益值大于耦合系数时，由于宇称时间对称性被破坏，通过调整偏振控制器改变保偏掺铒光纤偏振态，可获得单纵模布里渊光纤激光器。与以往的布里渊光纤激光器相比，本文提出的激光器具有更精简的结构和更宽的波长可调范围，且不受掺铒光纤放大器带宽的限制，同时仍保持窄线宽单纵模输出。此外，由于保偏掺铒光纤的饱和吸收效应，提高了宇称时间对称受激布里渊散射增益对比度，因此获得了更高的光信噪比。实验结果表明，该激光器具有1526.088～1565.498 nm宽可调范围、77 dB光信噪比和140.5 Hz线宽。

鬼像是由于镜面间的残余反射所产生的一种杂散光。鬼像会降低光学系统的成像清晰度，湮灭目标，严重影响光学系统的性能。为了探究鬼像对成像系统性能的影响，构建了二次反射产生的鬼像影响下的调制传递函数(MTF)的计算模型。本文首先介绍了在近轴近似下的鬼像分析与描述的方法。接着，从调制传递函数的定义出发，考虑鬼像在像面处的照度对像面调制度的影响，构建了鬼像影响下的MTF计算模型。通过对一系统进行实例计算，并与仿真结果进行对比得到均方误差最大不超过0.049373，进而验证了该模型的准确性。同时针对误差较大的结果进行了详细分析，明确了该计算方法的适用范围。研究结果表明，利用近轴近似的方法计算鬼像影响下的MTF在大多数情况下是真实准确的，该研究在光学系统的鬼像分析方面做出了有益探索。

研究云地闪电通道的径向结构及光辐射特征，可为揭示云地闪电通道形成和发展过程的微观物理机制提供参考依据，为闪电防护提供科学指导。本课题组利用无狭缝高速摄谱仪，在青海高原地区实施野外观测试验。在一次云地闪电中记录到了清晰可见的通道核心，而且在通道核心的外边缘和外部发光通道之间发现一个较弱的发光区。基于光谱观测结果，对比分析了首次回击和第三次继后回击的光辐射特征。实验验证了闪电通道电晕鞘模型，确定了连接点的位置，估算得到两个回击的闪击距离分别为57 m和53 m，并证实了回击放电最强的点在连接点处。由此可推断，在回击初期，云地闪电回击通道沿径向由内到外依次为通道核心-弱发光区-电晕鞘外层，即闪电通道内沿通道径向的电荷分布是不均匀的，闪电通道的光辐射特征与放电强度和持续时间密切相关。

本文对单晶硅小闪耀角光栅的各向异性湿法刻蚀制备工艺展开研究，制备了适用于软X射线中波波段的闪耀光栅，以满足国家同步辐射光源的需要。首先，基于严格耦合波法对小闪耀角光栅进行了结构参数优化及工艺容差分析。在晶向对准过程中，先通过环形预刻蚀确定硅片晶向，再基于倍频调整法实现光栅掩模与单晶硅<111>晶向的对准。研究了光刻胶灰化技术及活性剂对光栅槽形质量的影响，并通过单晶硅各向异性湿法刻蚀工艺成功制备了接近于理想锯齿槽形的闪耀光栅。实验结果证明：所制备光栅闪耀角为1°，刻线密度为1200 gr/mm，闪耀面均方根粗糙度在0.5 nm以内。此方法可以应用于软X射线中波波段闪耀光栅的制作，在获得较高衍射效率的同时可以大大减少制作难度及成本。

脉搏蕴含人体丰富的血流信息，检测脉搏并推导出人体心血管系统健康状态正成为研究的热点。本文利用热注射法合成得到尺寸为3 nm的PbS量子点，在金叉指电极表面通过旋涂的方法构筑PbS量子点光电探测器。基于已制备的PbS量子点光电探测器研制了数据可视化的脉搏检测系统。运用光电容积脉搏波描记法，对同一测试者不同运动状态以及不同测试者同一运动状态进行测量，经过电路处理将测得的数据显示在电子显示屏上。结果表明，探测器在15.2 μW cm⁻²光强度照射下，其响应度(R)和探测率(D*)在−3 V偏压下分别为0.33 A/W和1.33×10¹² Jones。将其应用于测量脉搏电路中，系统能够有效接收并测得人体脉搏信号。上述结果表明基于PbS量子点光电探测器的脉搏检测系统在灵敏度、稳定性以及可靠性均满足应用要求。

明场成像能够提供细胞或组织的形态学信息，荧光成像可以获取关键蛋白的表达信息，基于两者的双模态关联成像是目前医学和科研中常用的组织样本检查方式。然而，在临床检查时通常利用基于邻近切片之间的关联成像进行观察。此时，组织结构和细胞层次均会有或多或少的改变，这在样本量不足、切片上的细胞有限或需要获得点对点精准形态学信息的情景下显得十分不利。因此，发展单切片双模态光学关联成像技术，在单张切片上同时提供组织形态和多个目标蛋白的分布及表达，有助于更准确地描述肿瘤及其微环境。在样本量稀缺的肾脏病理检测中，该技术显得尤为重要：肾脏病理需要利用明场成像获取苏木素-伊红染色后组织和细胞的病理形态学信息，而利用荧光成像来获取多个目标蛋白的分布及表达情况则是肾脏免疫病理筛查的必检分子项目。本文重点研究了将苏木素-伊红染色和免疫荧光染色在同一张肾脏切片上实现的组织样本处理方法，对染色、褪色及复染的流程进行改良和效果对比，并探索将单切片双模态图像进行创新性融合。

非均匀性校正是红外成像系统得到高质量的红外图像的重要步骤之一。现阶段，大口径红外辐射测量系统在外场应用中存在非均匀性校正耗时长和非均匀性校正效果不理想等问题。为此本文针对红外辐射测量系统需要积分时间连续变化的需求，提出一种快速宽动态的非均匀性校正算法。该算法考虑积分时间效应和光学系统杂散辐射的影响。利用25 mm口径的制冷型中波红外辐射特性测量系统进行试验验证。对比经典算法与本文所提出算法的校正效率，结果表明，本文提出算法效率是传统非均匀性校正算法的3.4倍。本文还利用剩余残差评价原始图像以及两种算法对图像校正的效果，利用多个积分时间（0.6 ms，3 ms和3.5 ms）模拟连续变化的积分，结果显示本文所提算法在各个积分时间下剩余残差表现稳定且校正图像都具有良好的校正效果。

针对传统光电探测方法在强光背景下目标探测对比度低的问题，本文提出一种基于激光照明的主动偏振成像方法。首先构建激光入射双向反射分布模型、激光入射偏振双向反射分布模型以及激光照明的目标表面偏振度模型，并分析3种典型目标材料偏振特性与束散角之间的耦合关系。接着在暗室可控条件下开展逆光观测实验，验证目标偏振特性受激光束散角的影响。实验结果表明：强光背景下主动偏振成像目标对比度与传统被动强度成像相比提升了86.11%，不同束散角下不同目标材料的可见光偏振特性间存在差异，金属材质相对于非金属材质的线偏振度提升更高，实验结果与理论分析具有较好的一致性。最后，在室外开展太阳逆光观测实验，验证了研究方法在室外高强光、远距离下依旧具有适用性。本研究为提升强光背景下的目标精准感知能力奠定了理论基础。

针对传统偏振光谱成像方法难以适用于弹载平台的难题，本文提出了一种基于阵列光学的快速多维度成像制导光学方案。构建了通道分辨率与望远放大倍率的关联模型，实现了微透镜阵列、光谱滤光阵列和微纳偏振阵列探测器参数的精准匹配和高效利用。基于常规导引头和工业偏振探测器，设计了包含球形整流罩的多维度成像制导光学系统。系统采用4×4光场分割布局，在可见光波段内形成16个光谱通道，光谱分辨率为16 nm，单光路、单探测器条件下0°、45°、90°、135°等4个偏振方向偏振光谱图像数据立方体的同时高效获取。系统整体焦距为150 mm，筒长为145 mm。仿真结果表明，系统16个通道下全视场调制传递函数在奈奎斯特频率处均接近衍射极限，成像质量良好，满足弹载目标多维度探测与识别需求。

羟基(OH)是一种广泛存在于燃烧反应过程中的产物，在燃烧诊断技术中，基于羟基的二维空间分布常用于表征火焰的锋面结构，同时羟基也是表征火焰温度、火焰面密度和热释放速率等特征的重要参数。对燃烧火焰中的羟基进行有效探测是探究燃烧动力学演变过程，揭示火焰随机事件产生机理的重要支撑。平面激光诱导荧光(PLIF)技术作为一种光学测量方法，具有时空分辨率高、无干扰、可进行组份选择等优点，已成功用于对本生灯火焰、湍流火焰、旋流火焰和超声速火焰等多种燃烧火焰进行结构观测，为建立燃烧模型提供了重要参考。本文从PLIF探测的基本原理开始，梳理了PLIF技术在燃烧诊断领域的发展历程和研究现状，介绍了基于染料激光、光参量振荡和钛宝石三倍频方式实现的PLIF紫外光源技术，并对不同技术路线的特点进行了讨论，最后对用于OH-PLIF的紫外激光技术发展进行了展望。

本文以具有增益损耗平衡的非厄米离子阱系统为研究对象，从量子参数测量角度，利用量子Fisher信息量标度非厄米系统的量子相变特征。通过态矢量映射方法，研究了任意两能级非厄米量子系统的一般非幺正演化规律。量子Fisher 信息量的动力学演化在奇异点附近发生突然变化，并定量表征系统的量子临界现象。根据系统物相是否具有宇称和时间反演对称特性，我们可以获得两种不同行为的演化过程。在对称相区域中，量子Fisher 信息量随时间呈现振荡特征，获得较高的测量精度。在对称性被破坏的相区域里，它的含时变化经历单调递减过程。这两种动力学行为也被量子熵和量子相干证实。强调了利用量子Fisher信息来见证非厄米离子阱系统的相变。这些结论有助于非厄米量子信息技术发展。

为了提高液体透镜的成像质量和变焦范围，应用介电泳和液压驱动，设计了一款基于组合结构的双界面液体透镜，主要由介电泳双液体透镜和PDMS薄膜液体透镜组成。首先，在Comsol软件中建立液体透镜模型，研究不同电压下的液滴界面和PDMS薄膜的面型变化，并导出两个曲面的面型数据。其次，在Matlab软件中，采用非球面表达式进行拟合，得到不同电压下液滴的界面和薄膜的面型图及其相应的非球面系数。最后，在Zemax软件中，构建出相应的双界面组合液体透镜光学模型，像面选取为高斯像面，并通过相应器件的制备与初步实验研究，将仿真和实验数据进行了比较分析。结果表明，所设计的基于组合结构的双界面液体透镜仿真和实验的变焦范围基本一致, 同时在实验中获得了其变焦比可达2.1254和成像分辨率最大可达101.5937 lp/mm的结果。设计的基于组合结构的双界面液体透镜具有构造简单紧凑、界面可调控性强、高分辨率成像的优点。

拼接弧线电机凭借其高转矩比和低速运行稳定等优点，为大口径天文望远镜观测提供了高性能驱动技术支持。由于电机运行过程中存在如参数畸变、谐波等其他内外部干扰，都是对提高电机性能的挑战。为此，本文提出了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的抑制抖振，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轴电流信息和估计的精确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精确观测电机的转速和负载，显著增强了电机的抗负载扰动能力；同时，采用的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的抖振，为弧线电机在大口径天文望远镜的高精度观测应用中提供了理论和实验支持。

数字光栅位移测量技术将CMOS相机的像素阵列当作一个“数字化”的光栅，通过构造光学光栅像和数字光栅的周期差，利用微米级的光学光栅像，实现纳米级的位移测量。其可以应用于光刻机的调焦调平传感器中，结合倾斜入射的检测光路，对晶圆表面高度进行精确测量。在实际测量中，晶圆表面意外出现的图形会干扰光学光栅的反射成像，进而影响图像处理结果。针对上述问题，本文提出一种数字光栅位移测量的工艺适应性方法，以数字光栅周期为单位，对存在干扰图案时的CMOS图像进行光强重建和光强曲线恢复，能在晶圆基底出现较大面积图案时表现出很好的稳定性，且该方法可以适应多种表面缺陷，如划痕、颗粒、污渍和沟槽等。实验结果表明，经图像光强重建后，光强曲线的均方误差大幅减小，修正后的Z向测量误差在±33 nm（±3σ=±41.2 nm）以内。该方法能增强数字光栅调焦调平传感器的工艺适应性，为调焦调平方法提供技术参考。

为了精确控制激光光束指向，本文基于双液晶偏振光栅系统的光束指向算法，分析了系统中因光栅倾斜产生的误差。首先，本文采用了一种基于衍射光栅方程的光线追迹方法求解出射光束指向，引入了入射光束指向和光栅倾斜角，通过与仿真结果的对比验证了该方法的正确性和精度。其次，通过对光栅倾斜不同情况的分析，本文给出了不同倾斜情况下光栅姿态的表达式，并结合光线追迹方法得到了对应情况的出射光束指向表达式，分析了光栅倾斜产生的调零误差和旋转误差。研究结果表明，在0°~0.3°光栅倾斜角范围内，调零误差分别在0.25 mrad和2 mrad以内，旋转误差分别在85 mrad和430 mrad左右。本文方法可实现对双液晶偏振光栅系统中出射光束指向和光栅倾斜误差的精确计算。

为了解决动物夜间实时监测所面临的图像曝光度低、对比度低、特征提取困难等问题，通过研究轻量化自监督深度神经网络Zero-Denoise和改进型YOLOv8模型，来进行夜间动物目标的图像增强与精准识别。首先，通过轻量化的PDCE-Net进行第一阶段快速增强。提出了一个新的光照损失函数，并利用参数可调的Gamma校正原图与快速增强图，在基于Retinex原理和最大熵理论的PRED-Net中进行第二阶段的重增强。然后，改进YOLOv8模型，并对重增强后的图像进行目标识别。最后，在LOL（Low-Light dataset）数据集与自建动物数据集进行实验分析，验证Zero-Denoise网络和改进型YOLOv8模型对于夜间动物目标监测的改善效果。试验结果显示，Zero-Denoise 网络在 LOL 数据集上的PSNR、SSIM与MAE指标达到28.53、0.76、26.15，结合改进型 YOLOv8 在自建动物数据集上比 YOLOv8 基线模型的mAP值提升7.1%。使用 Zero-Denoise和改进型YOLOv8能获得良好的夜间动物目标图像。结果表明所提方法可用于进一步研究夜间动物目标精确监测。

针对强湍流环境下自适应光学系统无理想点信标波前探测的难题，本文提出利用光场传感器(Plenoptic sensor)对扩展信标的光场信息探测。对扩展信标的光场成像原理、波前位相重建算法、误差影响规律进行研究，利用等效法将扩展信标看做数个离散点的集合，简化扩展信标在光场传感器上的成像过程，然后将光场图像按照特定方式重新进行排列组合。通过图像互相关法和Zernike模式法实现0°视场的波前重建。针对不同输入像差系数、单列微透镜单元数和噪声等误差影响因素进行仿真研究，结果表明：当输入像差在6.5 λ以内时，波前重建精度约为0.08 λ，对于图像分辨率为1080×1080、像元尺寸为5.5 μm的图像探测器，单列微透镜单元数在40~50之间时波前重建精度最高，此外，系统噪声几乎不影响精度。最后，搭建了扩展信标波前探测系统，通过探测扩展信标对0°视场的4种像差波前进行重建，实验系统的波前重建精度约0.04 λ，基本满足自适应光学系统的波前检测要求。

涡旋光束阵列在自由空间光通信上有很大的应用价值。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了对比。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；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。

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中，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。

为了对低频振动信号进行获取和监测，设计了一种对称圆形柔性铰链的二维振动传感器，可在x轴和z轴方向工作。从理论上分析了传感结构的力学特性，在Comsol中建立模型进行仿真分析，并采用有限元法对结构进行优化设计，将铰链谐振频率设计为420 Hz。采用光纤布拉格光栅（FBG）作为应变检测器件粘贴在铰链结构表面，利用边沿滤波器法实现FBG的动态解调，采用标准振动台对传感器性能进行测试。实验结果表明该传感器在x轴和z轴的谐振频率为420 Hz，工作频率范围在20~300 Hz。在平坦区的平均灵敏度为1847.32 mV/g，加速度分辨率达5.41×10⁻⁴ g。该传感器在所有二维方向上的横向干扰水平均小于5%。本文设计的传感器为二维振动传感器，适用于低频振动信号的高灵敏检测，如桥梁隧道振动检测及机械设备的健康监测。

为了满足强激光系统中合束光栅的宽带、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 nm−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。

拼接镜的共相误差检测是当前科学研究的热点问题之一，基于宽波段光源的共相检测技术解决了夏克哈特曼法由于目标流量低引起的测量时间长的问题，从而提升了piston误差的检测精度和量程。然而，在当前的宽波段算法的应用中，复杂的环境以及相机扰动等干扰因素的存在将致使获取的圆形孔径衍射图像含有一定量的噪声，从而导致相关系数值低于设定阈值，使该方法精度降低甚至失效。针对这一问题，本文提出将基于深度降噪卷积神经网络（DnCNN）的算法集成到宽波段算法中，以实现对噪声干扰的控制，并保留远场图像的相位信息。首先，将使用MATLAB获得的圆孔衍射图像作为DnCNN的训练数据，然后，将不同噪声水平的图像导入到训练好的降噪模型中，即可得到降噪后的图像以及降噪前、后圆孔衍射图像的峰值信噪比和二者与清晰无噪声图像间的结构相似度。结果表明：降噪处理后的图像与理想清晰图像之间的平均结构相似度相较于处理之前的有了明显提升，获得了理想的降噪效果，有效增强了宽波段算法在高噪声条件影响下的应对能力。该研究对于探索用于实际共相检测环境应用的宽波段光源算法具有较强的理论意义和应用价值。

本文报道了一种基于双有源区的4.7 μm中波红外量子级联激光器，脊宽为9.5 μm，可实现室温连续基横模工作。通过在单有源区中心插入0.8 μm InP间隔层，将原有的单有源区转变成双有源区结构，可显著降低器件有源区的峰值温度，同时抑制高阶横模的产生。在288 K温度下，腔长为5 mm的双有源区器件阈值电流密度为1.14 kA/cm²，连续输出功率为0.71 W，快轴发散角为27.3°，慢轴发散角为18.1°。同常规单有源区结构器件相比，采用双有源区结构的器件，其最大光输出功率未出现退化，同时器件慢轴方向由多模变化为基横模，光束质量得到了显著改善。本工作为改善高功率中波量子级联激光器的慢轴光束质量提供了一种解决思路。

传统的清洗方法不能对文物表面较小污染颗粒进行清洗，并且容易造成文物表面不可逆的损伤。为提高清洗污染物的能力，激光清洗技术逐渐应用于不同类型文物的清洗。研制纳秒激光清洗系统并对故宫博物院的大理石模拟样品和大理石碎片进行清洗，清洗的对象是黑色结壳污染物。为了避免变黄效应，采用波长为1064 nm近红外光与355 nm紫外相结合的方法对大理石模拟样本进行激光清洗。当两者的能量密度比值为3∶2时，显微观测系统的照片显示有较好的清洗效果。将此比值应用于大理石碎片样本，利用显微拉曼光谱仪对清洗效果进行分析。实验结果证实了激光清洗的优势，也为激光清洗大理石表面污染物提供参数和评价方法参考。本文研究也为激光清洗技术在其他石质文物表面的清洗提供借鉴。

为了降低海洋光学遥感图像中云区对海面表面纹理分析过程中的影响，本文开展信息熵-低通滤波融合掩膜的云层干扰去除的研究。首先分析现有遥感图像去云算法的基本原理及其局限性，指出其在高保真要求的遥感应用中的不适用性。随后针对这一问题，本文提出一种基于信息熵-低通滤波联合掩模的云层干扰去除方法。其中包括对遥感图像的改进矩匹配的去条带预处理，局部信息熵滤波、以及联合低频滤波作为遥感图像中各像元的校正参数。该算法具有复杂度低、便于快速处理的特点。实验结果表明：与现有的算法相比，本文提出的算法可在低计算复杂度的前提下，同时大幅增强各区域的纹理细节信息，其平均信息熵可达到7.8以上，对比度可达到60以上，平均梯度可达到200以上；在图像细节上，本文算法能够在不引入伪边缘、非均匀性的前提下，充分展现受云区影响的海表纹理细节，进一步满足高保真度要求的军事遥感应用需求。

长周期光纤光栅具有体积小、耐腐蚀、抗电磁干扰和灵敏度高等优点，使其广泛应用于生物医学、电力工业以及航空航天等领域。本文提出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。

脑胶质瘤是一种常见的颅内原发性肿瘤，具有治愈率、复发率高等特点。脑胶质瘤边界的精准识别是减少患者术后复发、改善愈后的重要前提。因此，发展快速、高灵敏度、无标记的脑胶质瘤诊断方法具有重要的临床意义。拉曼光谱技术作为一种指纹谱，能够在分子水平上反映物质的化学和结构信息，已经在脑胶质瘤的定性定位识别中表现出巨大的应用前景。本文首先介绍了不同种类的拉曼光谱技术，其次梳理了拉曼光谱技术在脑胶质瘤中的研究现状，最后对拉曼光谱技术在脑胶质瘤检测中的未来发展进行展望。

为了研究典型目标材料表面的可见光偏振反射特性，本文针对传统“V”型表面结构缺陷，引入改进Blinn型阴影遮蔽函数，综合考虑镜面反射、漫反射和体散射的影响，建立了典型目标材料表面偏振六参量二向反射分布函数模型。对不同材料（聚丙烯塑料板、99氧化铝陶瓷板、铁板、绿漆铝板）目标样板进行可见光600 nm波段的偏振特性测试实验，并采用遗传算法进行参数反演。实验与仿真结果表明：与传统“V”型遮蔽模型相比，在入射角为50°，相对方位角为180°，0°～60°观测角对目标材料表面偏振特性的影响中，聚丙烯塑料板模型精度提升最大，RMSE百分比提升了70.61%；在入射角为50°，观测角为50°，DoLP随90°～270°相对方位角变化的过程中，与另两种参考模型相比，本模型精度至少提升了24.73%个百分点，线偏振度最小均方根误差值仅为1.29%。对于本文材料而言，偏振特性取决于其复折射率的值，当入射角确定，观测角为0°～60°，相对方位角在0°～360°内时，n/k比值越大，线偏振度峰值越大。在可见光波段，波长对线偏振度的影响不大。

目的：为了降低眼底成像过程中对操作人员的依赖，采用可见光瞳孔成像，提出了一种人眼瞳孔自动快速定位与对准的方法。方法：首先采用可见光摄像模组和三维电动位移台，在实验室眼底成像系统上搭建瞳孔对准装置。其次，用霍夫梯度法提取图像的有效区域，得到眼底成像系统的中心；利用最大类间方差法和图像直方图特征得到了瞳孔区域；通过最小圆拟合方法，确定瞳孔的中心。最后，反馈控制电动位移台的移动，实现眼底成像系统中心与瞳孔中心对准。结果：实验结果表明：人眼瞳孔的平均识别速度0.11s，瞳孔中心的识别平均准确率达98.7%，中心偏差的欧氏距离平均为4.3个像素。结论：满足眼底成像系统的实时性和准确性的要求，为眼底成像系统提供了一种高效的自动瞳孔对准解决方案。

太阳耀光是海面目标探测过程中的重要影响因素，针对陆地观测平台，利用耀光的偏振特性，提出一种基于线偏振图像共有成分与特征成分重构的海面耀光抑制方法。该方法利用分焦平面偏振相机获取四通道线偏振辐射图像，计算场景的偏振度信息，生成耀光抑制图像。在以偏振信息抑制场景耀光的基础上，结合线偏振辐射图像的特点，将耀光抑制辐射图像的光强分量分解为共有成分与特征成分，重新赋予二者新的权重因子得到重构后的耀光抑制图像。开展外场偏振实验，结果表明，针对三组典型实验数据，重构耀光抑制图像较光强图像的饱和像素占比相对降低的最大值为79.07%，空间频率与对比度相对提升的最大值分别为73.77%和172.73%。本文所提方法有效的抑制了海面场景中的耀光噪声且在背景细节信息恢复方面具有良好表现。

第三代红外焦平面探测器的不断发展使得探测器具备同时对两个不同波段的红外辐射进行响应的能力，输出双波段对应图像，双波段图像在目标探测和识别领域前景广阔。本文针对航空探测应用，采用320×256双色红外制冷型探测器，设计了一种工作波段在中波3.7～4.8 μm和长波7.7～9.5 μm的大变倍比制冷型红外双波段变焦光学系统，用于对目标的红外探测。该光学系统采用折射式和折反式结构相结合的方式，实现光学四视场切换式大范围变焦，采用二次成像以达到100％冷光阑效率。该光学系统四视场焦距分别为32 mm、200 mm、800 mm、1600 mm，变倍比为50×。实验结果表明，光学系统在双波段各变倍状态下，在调制传递函数特征频率为17 lp/mm时均接近衍射极限。该光学系统具有双波段、变倍范围大、大变倍比、快速切换多视场、结构简单紧凑、高质量成像等特征，将在搜索、侦察等安防领域中得到广泛应用。

目的：为了实现强流脉冲电子束对材料表面改性的工业化应用，需要对电子束的作用过程进行实时微扰监测。电场强度是反映电子束特性的关键参数之一，基于Stark效应的激光暗荧光光谱可实现对环境电场的微扰测量。因此，开展激光功率密度对环境电场的影响研究，对此类电场测量方法的参数设置和结果判断具有重要的理论和应用价值。方法：通过理论分析和计算得出电场测量微扰状态下的激光功率密度与试验环境的关系模型；基于上述关系模型，搭建测试平台，实验验证激光功率密度对电场测量微扰的情况。结果：实验结果表明：在示踪气体氙气压强为\begin{document}$ 1.0\times {10}^{-4} $\end{document} mbar、电场强度在2 kV/cm及以下的条件下，对电场测量微扰的激光功率密度值为5 MW/cm²，与理论计算值基本一致。结论：研究结果填补了激光暗荧光光谱诊断方法中激光功率密度对电场影响定量分析方法的空白，可应用在同类电场测量方法中，为激光功率密度与实验参数的设置提供依据和参照，支撑电场测量实验的开展，有效提升电场测量的准确性。

为了能对飞秒激光系统的群延迟色散(group-delay dispersion，GDD)进行调控，设计并制备了相位延迟反射镜。本文系统的研究了相位延迟反射镜补偿群延迟色散的原理，使用Nb₂O₅和SiO₂作为高低折射率材料，并通过将相位延迟反射镜与其互补镜配对的方式平缓了群延迟色散曲线。最后，制备出了相位调控数据为−800 fs²GDD的相位延迟的反射镜，在900 nm−1100 nm范围内，反射率达到99%以上。解决了飞秒激光系统带宽调节的问题，满足飞秒激光器的使用要求。

声呐图像视觉检测是复杂水域资源勘探和水下异物目标探测领域的重要技术之一。针对声呐图像中小目标存在特征微弱和背景信息干扰问题，本文提出弱特征共焦通道调控水下声呐目标检测算法。首先，为提高模型对弱小目标信息捕获和表征能力，设计弱小目标特征激活策略并引入先验框尺度校准机制匹配底层语义特征检测分支以提高小目标检测精度；其次，应用全局信息聚合模块深入挖掘弱小目标全局特征，避免冗余信息覆盖小目标微弱关键特征；最后，为解决传统空间金字塔池化易忽视通道信息的问题，提出共焦通道调控池化模块，保留有效通道域小目标信息并克服复杂背景信息干扰。实验表明，本文模型在水下声呐数据集的九类弱小目标识别上平均检测精度达到83.3%，相较基准提高5.5%，其中铁桶、人体模型和立方体检测精度得到显著提高，分别提高24%、8.6%和7.3%，有效改善水下复杂环境中弱小目标漏检和误检问题。

针对现有非接触式血氧饱和度测量方法在头部动态场景下准确性低的问题，提出一种基于改进的自适应噪声完全集合经验模态分解与小波阈值相结合的去噪方法，用于提取高信噪比的脉搏波信号。首先，为解决自适应噪声完全经验模态分解在分解重构早期产生虚假分量和模态混叠的问题，在分解过程中加入高斯白噪声，使其成为改进的自适应噪声完全集合经验模态分解(ICEEMDAN)，从而减少模态分量中残余噪声问题。然后，使用ICEEMDAN对红蓝色通道的脉搏波信号进行模态分解，并使用db8小波基函数对符合血氧频谱范围的分量进行3级分解和重构，将重构后的信号用于后续血氧值的计算。最后，将不同头部动态场景下测量的血氧饱和度结果进行实验对比分析，结果表明：不同头部场景下得到的血氧饱和度平均误差为0.73%，相较于其他算法平均误差降低1.93%。本文提出的去噪方法在不同头部场景下具有较好的稳定性，可满足日常血氧饱和度测量的需求。

当进行扫描重建时，示教扫描繁琐且通用性差，目前视点规划的重点依然是自动获取覆盖模型的最少视点集。本文为了实现对不同复杂程度零部件的自动化三维扫描重建，对视点规划过程中可能发生的视点冗余、视点遮挡、双目重建约束等问题进行研究。首先，针对现有视点规划难以对模型完整扫描的问题，通过分析面结构光扫描的特性，对Lloyd’s算法进行改进，提出使用欧式距离和法向量偏差的能量函数对模型进行Voronoi划分，生成初始扫描视点。接着，针对视点冗余问题，提出了对初始扫描视点进行分裂的迭代算法。最后，针对生成的视点容易产生遮挡的问题，提出了一种视线去遮挡策略，并以提高模型覆盖率为目的，提出了使用追扫视点的方法。实验结果表明：在最佳视点数量下，对于汽车铸件和壳体的覆盖率达到了94%以上，对于简单曲面汽车钣金的覆盖率达到了99.5%以上，并实现了汽车转向节的自动规划扫描，满足视点自动规划的覆盖率和效率以及对不同复杂程度零件的适应性要求。

三角网格模型配准是工业自动化检测软件中重要的一环，配准精度对检测机械零件的形位公差有重要影响。针对三角网格模型的自动配准的精度低、鲁棒性差的问题，本文提出一种面向机械零件三角网格模型自动配准中增强特征的分割方法。首先，确定三角网格模型特征分割的K值，通过拉普拉斯矩阵确定种子点进行迭代初始化。其次本文采用合适的区域形状代理和代价函数加速该过程，并进行多源迭代聚类得到特征分割结果。最终，在三角网格模型特征分割结果的基础上进行基于奇异值分解法的粗配准，根据EM-ICP进行精配准。与传统的特征描述子粗配准再ICP精配准的方法进行对比，实验结果表明本文方法的配准误差下降了25.2%，自动配准时间缩短了62.6%，有效地提高了三角网格模型自动配准的精度和效率。

窄线宽激光器是光谱学和精密计量学等实验的基本组成部分。由于半导体激光器对外部光学反馈十分敏感，所以可以利用光反馈的高带宽抑制半导体激光器的相位噪声，进而压窄线宽。于是我们采用光纤布拉格光栅作为反馈元件，搭建了长外腔反馈回路。为了降低了外界环境的温度起伏和气流扰动的影响，我们对反馈光路的光纤控温，使得1小时内最大温度起伏从0.039 °C降低到0.003 °C，并且温度起伏的方差降低了两个数量级。此外我们也测试了反馈带宽对激光线宽的影响，尽管我们实验所用光纤布拉格光栅的带宽远大于自由运转的激光线宽，但我们仍然观察到激光线宽被压窄，且光纤光栅的带宽越小，激光线宽越窄。对于此现象，我们认为在反馈回路中应该存在一种负反馈机制，可以将激光线宽稳定到反馈光谱的某个斜率处，所以光纤光栅的反馈带宽越窄，反馈光谱的斜率越大，反馈越灵敏。另外我们通过在0~1 mW范围内改变光纤光栅的反馈功率，观察到在反射功率0.8 mW时，光反馈将激光线宽从自由运转的100.5 kHz压窄到最窄11.5 kHz，在反射功率1 mW时，0.2 kHz~2 MHz范围内的相位噪声得到了大概22 dB的抑制。

为提高地基多普勒非对称空间外差(DASH)干涉仪在恶劣温度下的探测精度，对系统进行了光机热集成分析。首先，依据干涉仪的工作原理和相位算法建立了相位与温度的关联依据。其次，设计了光机热分析模型和热变形数据获取模型，采用温度负载仿真分析给出了干涉模块和成像光学系统在不同温度下的变形数据，拟合得出热变形所导致的相位误差。最后，基于各部件热变形造成的风速误差，给出合理的温控方案。结果表明，干涉模块占据主因，必须确保温度控制在20±0.05 °C内，并针对温度敏感部件进行温度控制，此时该部件造成的风速误差为3.8 m/s。成像光学系统放大倍数的热漂移、成像光学系统和探测器相对位置的热漂移占据次因，应将其控制在20±2 °C以内，此时该部件造成的风速误差为3.05 m/s，综上可以将干涉模块、成像光学系统、成像光学系统与探测器相对位置三者共同造成的风速测量误差控制在6.85 m/s内。本文的分析方案和温控措施可以为DASH干涉仪工程应用提供理论依据。

激光光束质量是衡量激光器应用性能的重要指标之一，面向远距离光电对抗应用场景，本文开展了非链式脉冲氟化氘（DF）激光器非稳腔设计和光束质量提升技术研究。设计了三组不同放大倍率的正分支虚共焦非稳腔，搭建了凸面腔镜横向和轴向两种支撑结构的非稳腔实验装置，其中横向支撑结构内置循环水冷却通道。以86.5%环围能量定义激光光斑大小，选用β因子评价激光光束质量，比较两种支撑方式下的输出能量和光束质量。研究发现：相同条件下，轴向支撑结构的非稳腔输出能量较横向支撑结构高6%，但远场发散角较横向支撑大9%。水冷横向支撑结构虽有能量遮挡，但其较好的热稳定性显著提升了激光光束质量。在M=2.25的横向支撑内腔式非稳腔条件下获得光束质量因子β=1.83发散角θ_0.865=0.63 mrad的激光光束，该条件下的激光单脉冲能量为2.34 J，激光脉宽88.2 ns，峰值功率达到26.5 MW。

基于信道随机特征的共享密钥提取是实现大气光信道物理层安全的一种有效手段。密钥生成速率和不一致率是关注焦点。利用大气湍流光信道随机特征作为共享随机源，提出多输入-多输出(Multiple-Input Multiple-Output, MIMO)大气光信道环境下的密钥提取方案；采用另类奇异值分解法来分解信道矩阵，通过简单移动平均提升合法双方获得的信道特征序列间的相关性，并对移动平均后的信道特征序列进行单门限交错量化；合法双方基于分集差分值生成编码映射控制随机序列，实现对信道特征序列的单门限交错量化结果的编码映射。实验结果表明，本文方案的原始密钥不一致率在信噪比为30 dB时能够达到5.2×10⁻⁴，且生成的随机比特序列可通过美国国家标准与技术研究院(NIST)的随机性测试。本文结果对MIMO大气光信道密钥提取有一定参考价值。

燃煤锅炉燃烧场的经济性、安全性和环保性对于智慧电厂建设具有重要意义。H₂S和CO是燃煤锅炉燃烧场两种主要高温腐蚀气体，不仅腐蚀锅炉近壁面，其尾气对大气环境的危害都是极其严重的。基于近红外可调谐半导体激光吸收光谱技术，结合波长调制光谱技术和频分复用技术，研制了一款无人值守的燃煤锅炉主燃区H₂S和CO气体浓度在线实时监测设备。仿真模拟了6335−6341 cm⁻¹范围内气体吸收光谱，选定1.5 μm附近的近红外激光器作为激光光源；研制了一套耐高温耐腐蚀的Herriott型多光程池，实现激光与气体相互作用的效光程达15 m；开发了硬件电路及相应的固件程序，实现了H₂S和CO吸收光谱信号的二次解调信号与浓度反演。线性度和Allan方差实验表明，其线性拟合相关系数分别为0.9998和0.9995，在73 s和53 s的积分时间下，H₂S和CO最低检测极限分别为0.2×10⁻⁶ mol/mol和0.344×10⁻⁶ mol/mol。最后，将研制的设备在某300 MW电负荷的四角切圆燃煤锅炉主燃区燃烧气氛场进行应用示范，对水冷壁附近的H₂S和CO进行了同步测量。结果表明，锅炉中H₂S和CO的浓度呈正相关，厌氧燃烧会导致两种气体的含量增加，造成对水冷壁的腐蚀。

光子集成干涉成像系统一般在子孔径焦平面处加单模光纤阵列，通过接收不同视场角的光束完成大视场拼接成像，但直接采用光纤阵列会导致成像视场不连续，子孔径焦距变长，厚度大幅度增加。针对以上问题，本文提出了一种结合微透镜阵列和光纤阵列对子孔径像面细分的方法实现视场无缝拼接，并通过摄远物镜和三透镜空间压缩板组合大幅度降低了子孔径阵列的整体厚度。设计结果表明，通过在光纤阵列前加65*65微透镜阵列对光束二次聚焦能够实现系统视场无缝拼接，视场扩大65倍后，全视场为0.0489°，可见光入射时单模光纤阵列中各光纤中心空间光耦合效率不低于40%，在加入空间压缩板压缩自由空间光路后，系统的整体厚度实现了1个数量级的压缩。该系统在实现光子集成干涉成像系统大视场无缝拼接成像的同时，为解决超长焦距镜头厚度过大的问题提供了新的思路。

激光通信是以光波为载体实现信息传输的通信技术，具有高速率、高带宽、小尺寸、抗干扰和保密性好等优势，具备实现空间信息网络高速传输和安全运行的关键能力。本世纪以来，国内外主要研究机构致力于研究激光通信技术在实现组网过程中所需要解决的一系列问题，包括一点对多点同时激光通信、节点内多路信号全光交换与转发、节点动态随遇接入、网络动态拓扑结构设计等关键技术，并开展了众多演示验证实验，部分研究成果已经投入应用。本文在对空间激光通信组网技术进行分析探讨的基础上，概述了国内外的激光通信组网技术的发展现状，重点对卫星星座、卫星中继和航空网络等领域中激光通信组网技术的应用情况和发展现状进行了分析和总结，对国内相关研究技术方案、实验验证情况等进行了综述，最后对激光通信组网技术与应用的发展趋势进行了预测。

针对偏振光谱图像融合方法在地物混杂背景遥感探测中多尺度变换融合图像边缘轮廓细节模糊、对比度不佳的问题，采用一种基于非下采样轮廓波变换的稀疏表示与引导滤波器相结合的图像融合方法，以改善融合图像的质量和视觉效果。首先，该方法通过非下采样轮廓波变换对光谱图像和偏振图像进行多尺度多方向分解，进而将图像分解成不同子带内的特征信息。其次，低频子带采用稀疏表示融合，从而降低融合图像中物体对比度损失。此外，采用引导滤波器融合高频子带，达到增强图像轮廓细节信息的效果。最后，对低频与高频融合系数进行非下采样轮廓波逆变换最终得出融合图像。分析表明融合图像对比度相对于原始光谱图像与偏振度图像分别提升了54.5%和15.4%，更容易区分混杂背景下阴影中的物体。基于此方法对偏振光谱成像仪所采集的不同波长下的光谱与偏振图像进行融合，并实现真彩还原。真彩还原图像证明此融合方法在保留混杂背景下的环境信息的同时实现物体和背景区分，有效提高了偏振光谱遥感探测成像的图像质量，有助于提升偏振光谱遥感探测成像中图像信息的完整性和真实性，扩大其在复杂环境遥感探测和图像识别中的应用范围。

随着光谱成像技术的飞速发展，使用多光谱滤光片阵列（Multispectral filter array，MSFA）采集多光谱图像的空间和光谱信息已经成为研究热点。如何利用低采样率且强频谱互相关性的原始数据进行重构成为了瓶颈和制约。因此基于一种含有全通波段的8波段4×4MSFA，提出了空谱联合的多分支注意力残差网络模型。首先使用多分支模型对各个波段插值后的图像特征进行学习。其次八个波段和全通波段的特征信息联合通过本文设计的空间通道注意力模型，应用多层卷积和卷积注意力模块并使用残差补偿的方式可以有效的弥补各波段的颜色差异和丰富边缘纹理相关特征信息。最后初步插值的全通波段和其余波段特征信息通过无需进行批量归一化的残差密集块对多光谱图像空间和光谱相关性进行特征学习以匹配各个波段的光谱信息。实验结果表明，本文对于在D65光源下测试图像的峰值信噪比、结构相似度和光谱角相似度分别优于最先进深度学习方法3.46%、0.27%和6%，并且此方法不仅减少了伪影还获得更多的纹理细节。

太赫兹波具有高穿透性、低能性及指纹谱性等特征，在探测领域被广泛应用，因此设计太赫兹波成像光学系统具有重要的意义和广泛的应用前景。首先，以四块透镜构成的天塞物镜为参考结构，应用近轴光学系统像差理论构建系统像差平衡方程，给出了系统初始结构参数求解函数和方法，再结合光学设计软件对系统像差进一步校正，最终设计了一种用于太赫兹波探测的大孔径光学成像系统。该光学系统由四块同轴折射透镜构成，焦距70 mm，F数为1.4，全视场角为8°，在奈奎斯特频率10 lp/mm处全视场角范围内的调制传递函数（MTF）值均大于0.32，各视场内的弥散斑均方根（RMS）半径均小于艾里斑半径，最后对系统各种公差进行分析和讨论。设计结果表明，本文设计的太赫兹波探测光学成像系统具有孔径大、结构简单且紧凑、成像质量较好且加工性易于实现等特点，满足设计要求，它在太赫兹波段高分辨率探测领域具有重要应用价值。