2013年 第42卷 第11期
分布孔径红外系统（DAIRS）是目前军事强国在红外搜索跟踪系统领域的重点发展方向。作用距离是DAIRS最重要的参数指标之一，其大小由系统参数、目标和背景特性等决定。针对DAIRS的成像与信息处理特点，对系统的作用距离进行了研究，建立了DAIRS作用距离模型，分析了目标方位、探测器积分时间和瞬时视场等因素对DAIRS与传统扫描型系统作用距离的影响。该模型对DAIRS的设计具有一定的参考意义。
以考核红外预警系统对末敏弹的探测识别效能为应用背景，通过在高空热气球上投放末敏弹，同时利用地面热像仪实时跟踪捕获的实验方法，获得了复杂云层背景下，末敏弹稳态下落过程中的红外图像序列。针对图像模糊、信噪比低等特点，提出一种组合空域滤波的目标检测方法，该方法利用小波阈值和中值滤波去噪，Top-Hat变换抑制背景，最后通过形态学滤波提取目标并增强目标和背景的灰度对比度。多帧检测结果显示：该组合滤波算法能够有效提取实验图像序列中的末敏弹，为进一步的目标跟踪技术研究奠定了基础。
双波段/多波段成像技术受到普遍重视，使得双波段光学系统特别是中、长波红外成像系统成为研究的热门之一。设计了折反射式光学系统、离轴三反射式光学系统和全折射式光学系统，分析了3种不同类型光学系统及其成像性能。采用了能同时响应中、长波红外的探测组件，系统的主要技术指标为：工作波段3~5 m、8~12 m，F/#=2，2=5.74，f=100 mm，全视场畸变2%，空间频率16.7 lp/mm处的MTF0.4。对3种不同类型系统的特点进行分析和研究，给出了各种像差曲线和光学传递函数曲线，总结了3种不同类型光学系统的优缺点。
为了解决红外变焦系统短焦部分冷反射严重的问题，提出了一种双孔径设计方法，设计了一种双孔径红外变焦光学系统。系统工作波段为中波3.7 ～4.8 m，焦距为30/150/300 mm，10变倍比，具有100%冷光阑效率。对双孔径系统的短焦部分和单孔径系统短焦部分的冷反射强度进行了对比分析，双孔径系统的冷反射得到有效控制。双孔径红外变焦光学系统具有像质好、变倍比大、短焦冷反射小、结构紧凑的特点，可使大变倍比的红外变焦光学系统在红外成像系统中得到广泛应用。
为了实现中/长波红外双波段制导系统的性能测试与评估，设计了一套基于数字微镜器件的红外双波段视景仿真光学系统，系统包括投影镜头和照明系统。利用非球面技术和大出瞳距、无穷远投影系统的像差特性，采用常规的红外材料，通过光焦度的合理分配与非球面像差校正的优势相结合，解决了双波段、大出瞳距离带来的彗差、像散、畸变和色差的平衡问题。采用阿贝式直接照明的方案，解决了斜入射情况下均匀照明的问题，有效地控制了杂光的影响，提高了光能利用率。设计结果显示：最终仿真系统全视场角为2，出瞳距离为250 mm，出瞳直径为70 mm，系统畸变小于0.2%，系统双波段的调制传递函数曲线均接近衍射极限；照明均匀性高于95%。系统实验测试表明：在黑体温度为300 ℃时，模拟温度最低为31.6 ℃，最高为250 ℃，温差为215.4 ℃，系统的对比度达到0.98，像面均匀性高于98.1%。仿真系统具有高对比度，宽温差和图像逼真的特点。
国内已知的红外星库数量有限，辐射照度、覆盖波段范围小，分布密集度低，无法满足现有地基红外辐射测量系统天文标定的需要。根据系统的探测波段考察并选取IRAS、2MASS、WISE、AKARI 4个全空域巡天计划及其生成的红外星表。综合考虑大气弥散、大气衰减的影响，分析计算系统在短波红外1~3 m、中波红外3~5 m、长波红外8~10 m的极限探测能力及在对应点源星表中的最低可探测的星等。搜索选取可供系统观测的恒星，结果显示在短波选取4 599个恒星目标，中波选取125个恒星目标，长波选取1个恒星目标，为我国现有地基红外辐射测量系统天文标定及红外星表进一步应用提供理论依据。
针对抗旋转的红外目标捕获问题，提出了一种基于旋转角预估的目标快速识别方法。该方法首先对图像进行局部自适应阈值的快速分割和连通域标记，采用积分图像加速计算；将每个连通域缩放至标准尺寸，以缩放后的二值图像的像素值作为特征，用神经网络估计目标的旋转角，并在角度估计过程中滤除一些非目标；最后，用神经网络进行目标识别。针对实际应用中样本量往往较小，模板与实际识别时可能存在差异的问题，提出了一种边缘随机生长和消去的样本生成方法。实验表明，提出的方法计算量小，在模板形状有少量偏差的情况下，仍能有较高的准确率。
针对云层背景下红外变分辨率小目标的成像特性，提出一种基于尺度空间理论的红外弱小目标检测方法。首先建立高斯小目标参数模型，以高斯核生成待检测图像的尺度空间，进而对尺度空间进行最佳尺度匹配，提取目标感兴趣区域（ROI）。然后构造ROI尺度自适应对比度作为检测判据，剔除虚警，实现小目标最终检测。实验结果显示，算法不仅能够准确检测目标，且可以估计目标像尺寸，同时具有较高的检测概率和执行效率。可有效地实现对变分辨率弱小目标的检测。
针对远距离红外弱小目标检测算法的研究和性能评估需要大量测试图像的现状，提出了一种基于非线性映射模型的红外弱小目标图像仿真方法。首先，通过理论计算和实际拍摄得到实验目标的辐照度与成像灰度值映射数据，并利用该数据对多种备选映射模型进行评估，得到最佳的基于拟合的非线性映射模型；然后，将该映射模型应用到实际目标图像的仿真过程中，得到能反映实际亮度变化的目标仿真图像；最后，考虑大气传输效应等因素的影响，将目标仿真图像与真实背景图像进行合成，得到最终的红外弱小目标仿真图像。通过与传统仿真方法对比，该仿真方法产生的仿真图像具有较强的真实感。
为了研究高功率激光系统中的内光路热变形累积效应对光束质量的影响，开展了理论和实验研究。首先，选择三种非稳腔输出的典型高功率激光，激光功率分别为10 kW、50 kW和100 kW，通过热动力学瞬态方法的有限元分析对激光照射的反射镜进行热变形分析。然后，利用光线追迹理论得到激光的波前像差。最终，激光远场光束质量中的Strehl比，因子可以通过Fresnel衍射积分进行计算和对比分析。仿真结果表明，由于内光路反射镜的热变形，远场光束将出现偏心和像散的现象，其中心光强及会聚能力均会下降。随着内光路反射镜的增加，Strehl比减少而因子增加，远场光斑x方向的倾斜、像散及彗差也会逐渐增加，将成为系统的主要像差。为了和上述理论仿真结果进行对比，建立了一个测量反射镜热变形实验平台，实验中采用10 kW的TEA CO2激光器照射99%反射率的铜反射镜，通过等效放大原理，实验结果可以部分代替50 kW和100 kW功率水平。镜面热变形的测量精度小于/15，并和仿真结果吻合得较好。结果表明，反射镜的热变形在激光功率超过10 kW时不能被忽略，且随着激光功率及反射次数的增加，这种热畸变将变得越发严重。所得结果将对高功率激光系统的热畸变分析过程提供指导，并可应用于激光核聚变及激光武器系统等的设计分析中。
对Nd：YAG 946 nm和 473 nm激光器特性进行了实验研究。采用二极管端面泵浦平-平腔实验结构，使用键合Nd：YAG晶体作为激光增益介质，在入射泵浦功率31.8 W时，得到最高11 W的连续波946 nm 激光输出，光-光转换效率34.6%，斜率效率35.4%，光束质量M2达到7.53，半小时内功率不稳定度小于0.4%。采用Ⅰ类临界相位匹配LBO晶体对946 nm激光进行内腔倍频，获得了0.887 W的连续波473 nm蓝光输出，光-光换转效率5.87%。实验结果表明：所设计的端面泵浦连续激光器具有很强的实用价值。
针对目前粗糙海面的激光散射场模型并不适用于激光束掠入射的情况以及忽略风速的影响，基于Cox-Munk模型及基尔霍夫近似（KA）模拟各向异性粗糙海面，建立海面对掠入射激光束的方向反射率分布模型，仿真分析了方向反射率随风速、风向、入射角、入射方位角、反射角、反射方位角的变化规律，并通过水池实验进行了验证。结果表明：粗糙海面对激光束的散射能量主要分布在以被照射海面为顶点的圆锥形角空域，此空域角方向位于镜面反射方向附近，且随着风速的增加，空域角逐渐变大，对于掠入射的激光束，由于海浪的遮蔽效应，空域角方向会偏离镜面方向。该模型可以为激光半主动制导导弹对海上小目标射击研究以及利用激光束照射粗糙海面布设激光诱饵研究提供一定理论依据。
在广义Mie散射理论的基础上，研究了离轴球型粒子对TEM00基模高斯激光束的散射特性，依据高斯波束在球坐标系的展开形式，对展开系数的有限级数解形式进行了编程计算；模拟了高斯光束在离轴球型粒子散射的情况下，散射光强与粒径参数、折射率、散射角和散射粒子相对位置的关系；对模拟结果进行了讨论，并与平面波的散射规律进行了对比分析。结果显示：高斯光束的散射光强分布呈现出了与平面波散射不同的规律，但在大束腰半径条件下，与平面波的散射规律有许多共同之处。
提出了基于单固体Fabry-Perot（F-P）标准具的双频率多普勒激光雷达技术。介绍了系统结构，并分析了系统的风场探测原理。根据探测指标要求，对系统各单元参数，特别是F-P标准具参数进行了详细的优化设计。利用得到的优化参数对雷达系统的探测性能进行了仿真。仿真结果表明：采用100 mm口径的望远镜和脉冲能量50 J、重复频率6 kHz的半导体激光器，在发射激光仰角60、距离分辨率60 m和脉冲累计时间1 min的情况下，晴天时，系统在3 km高度处的径向风速误差小于0.75 m/s；有薄雾时，系统在1.5 km高度处的径向风速误差小于0.58 m/s。在发射激光仰角8、距离分辨率60 m和脉冲累积时间10 s的情况下，不同的能见度天气时，系统在4 km处的径向风速误差都小于1 m/s。
为研究少量乙醇分子对纯水中氢键作用的影响，测量了0~10%体积浓度区间乙醇-水溶液和纯水中羟基伸缩振动的激光拉曼光谱，并根据不同样品拉曼光谱间的差分光谱分析了低浓度溶液中乙醇分子的水合作用。研究结果表明：当向纯水中加入少量乙醇分子至4%体积浓度的过程中，水分子的四面体氢键网状结构得到扩大，同时乙醇分子疏水基团周围的水分子间氢键作用也得到加强；随着溶液中乙醇浓度的增加，乙醇分子间由于疏水水合作用逐渐聚集到了一起，造成溶液中疏水基团与水分子总的作用面积减少，溶液中的水分子氢键网状结构变得松散，最终一些水分子会脱离氢键网状结构并以大小不等的团簇存在于溶液中，而乙醇分子的亲水基团则与其周围的自由水分子通过氢键缔合在一起。
为了有效地控制Al2O3陶瓷激光铣削层质量，以人工神经网络（ANN）技术为基础，以MATLAB软件作为开发平台，建立了Al2O3陶瓷激光铣削层质量与铣削参数之间的关系模型。并以激光功率、扫描速度和离焦量作为输入参数，激光铣削层深度和宽度作为输出参数，对激光铣削层质量进行了预测。结果表明，该模型的平均误差小，拟合精度高。并在训练样本之外，选取了5组工艺参数来检验网络模型的可靠性，检验输出值和实验样本值的最大相对误差为7.06%。说明运用该模型可以方便、准确地选择激光工艺参数，提高Al2O3陶瓷激光铣削层的加工质量。
采用实验测量与数值模拟相结合的方法研究了切向表面气流环境中激光对薄铝板的辐照效应。实验结果表明：相同速度的氮气流和空气流中，铝板温度曲线相似，说明对于铝这种材料而言，空气流的氧化烧蚀几乎不能进行。无切向气流时，辐照过程中相同时刻铝板的温升及铝板达到的最高温度都高于氮气流和空气流情形。三种环境中，铝板中心位移的变化趋势同温度的变化趋势相同，说明激光加热产生的热应力是铝板形变的主要原因，切向气流不起主导作用。利用有限元分析软件ANSYS数值模拟了铝板温度场及形变的演化过程，分析了激光功率分布和对流换热对结果的影响，数值模拟结果同实验符合地较好。研究结果表明：在较低激光功率密度条件下，切向气流主要通过对流换热对铝板起冷却作用，尤其在激光辐照停止后的降温阶段，其作用更加明显。
为实现捷联式光学成像导引头与制导系统一体化设计，建立了全捷联制导与控制系统，根据捷联导引头特性进行制导与控制原理研究。首先，建立了全捷联导引头与陀螺的数学模型；接着，针对捷联导引头无法精确提取视线角速率的问题，提出姿态驾驶仪与视线角积分比例导引相结合的控制与制导方案，并分析了导引头体视线角、刻度因数、导航比和系统稳定区域之间的关系；然后，推导了全捷联制导系统最优制导律以提高制导系统响应速度；最后，进行了控制与制导系统飞行仿真，仿真结果表明：捷联式制导与控制系统能对静止与运动目标（速度为60 km/h）进行有效攻击，最大射击误差分别为1.49 m与2.62 m；系统误差、陀螺零偏与零偏稳定性对制导系统精度影响较大。捷联导引头制导与控制系统能满足空对地系统对静止与低速运动目标的攻击要求。
空间太阳望远镜（Space Solar Telescope，SST）主光学望远镜（Main Optical Telescope，MOT）口径达1 m，以2.81.5有效视场对日成像，将获得0.1～0.15的图像。SST MOT对日观测时所接收到的热量超过千瓦，成为影响望远镜成像质量的主要热源和杂散光源。为此，文中首先探讨了大口径太阳望远镜热设计与消杂光设计的特殊关联。然后，针对主镜筒内消杂散光的内遮光罩结构提出了热兼容设计，确定了内遮光罩结构热-杂散光效应集成设计的目标与评价体系。借助热分析软件获取SST MOT因内遮光罩结构参数变化引起的系统温度的变化趋势，从热控角度对内遮光罩结构的设计提出了建议：内遮光罩结构的垂直高度不宜超过400 mm。探索的内遮光罩结构热-杂散光效应集成分析方法也可为其他太阳望远镜的综合优化提供参考。
火星轨道轻小型高分辨率相机对热控系统的质量和功耗提出了较高要求，该相机热控技术是从全局设计的角度，集质量轻、热性能好的结构材料与先进的温度控制式数据传输为一体，并结合优化的温区分布与多项热控措施，最终达到设计要求。文中围绕此项热控技术展开相机热分析与热设计工作。通过对相机外热流的分析，确定了=70，R=0和=-70，R=0的高温工况，以及=0，R=-30的低温工况。结合相机内热源及接口信息，制定了详细的全局热控方案，通过仿真分析验证了热控方案的正确性。可为我国火星轨道轻小型高分辨率相机热控制系统的研制提供技术支持。
设计了上位机软件系统，对用于薄镜面主动光学的力促动器组进行控制实验。首先，从功能和性能两方面分析了力促动器组控制实验对软件系统的需求。然后，根据应用需求设计了校正、实验、装调、停机、复位5种工作模式，并讨论了不同工作模式之间的转换条件。接下来，将软件系统按应用层次分为数据传输、数据处理、界面3个模块，并给出了每个模块的设计方案。最后，在各个工作模式下对软件系统进行了测试，并在校正模式下对铝镜进行了校正实验，测试和实验结果表明，此软件系统可以满足预期的实验需求。
针对应用于可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS）技术研究中的一种简单的集成化光学系统，利用ANSYS有限元分析方法，建立系统有限元模型，分析了系统模态和谐响应特性；通过振动台实验测试了系统结构的动力学特性，获得系统结构在不同动力载荷作用下的幅频曲线。结合数值模拟和测试结果，分析获得系统抗振性能，给出了系统所能承受的环境振动频率范围。结果表明：该光学系统在900 Hz以内的振动环境下具有良好的抗振性能，可以应用于现场测试诊断。
介绍了一种大视场LCOS拼接星模拟器的标定方法，以及标定系统的组成和原理。为了使星模拟器获得更大的视场宽度，提出将两片LCOS拼接使用。对各种拼接误差进行分析，并给出了标定方法。对系统的焦距测量误差及畸变误差和拼接物像的成像关系进行了分析，建立了星间角距数学模型，并通过大量的测量数据，经计算得到最优精度下模型中的各个参数。实验结果表明：经过标定后，星模拟器的星间角距模拟精度得到显著提高，测量误差优于20。
为了完成TMT三镜轴系的检测与装调，引入了极大似然估计来完成TMT三镜轴系装调。首先提出利用两过定点的相交拟合平面辨识一条空间直线；之后考虑到测量数据噪声类型的不确定性，提出使用极大似然估计对三镜机械轴位置参数进行辨识，并在MATLAB产生的一组带有高斯白噪声的训练集上对两个拟合平面所过定点位置进行优化，拟合轴线与理想轴线的夹角由优化前的6.29降低为优化后的5.24，优化量为17%；然后选定Vantage激光跟踪仪作为TMT大型轴系的检验工具，利用之前的优化方案，得出在该方法下TMT三镜轴系的定位残差为2.9，小于TMT招标方提出的指标4。文中将极大似然线性拟合用于TMT三镜轴系装调，提出了一种实时性强、适用范围广的方法，对于其他大口径光学系统轴系的检测与调节也有很大的借鉴意义。
为了增加光电平台有效载荷的放置空间，需要将其内框架布局进行合理优化。采用平行轴传动方式，将光电编码器安装在主轴旁，可有效扩大光电平台内框架轴向空间。分析了同心轴传动和平行轴传动的优缺点，在平行轴传动中，阐述了单片齿轮传动、消间隙齿轮传动及钢带传动的适用性与局限性。通过实验分析了消间隙齿轮传动与钢带传动在有限转角范围内对光电编码器测角精度的影响。实验结果表明，消间隙齿轮传动在有限转角范围内的测角误差大于3，钢带传动在有限转角范围内的测角误差小于1，为增加有效载荷空间提供了一种途径。
为了保证高精度光电轴角编码器在恶劣工作条件下的细分精度，设计了基于高分辨率数字电位计的实时补偿处理系统。依据莫尔条纹光电信号的数学模型，说明了由信号等幅性偏差和直流电平漂移引起的细分误差的空间分布特征，并得出误差规律及计算公式，从编码器的光机装调、码盘均匀性、光敏元件调试等制作环节出发，指出了编码器光电信号细分误差的根本特性；受高精度光电编码器分辨力的约束，从编码器光敏元件输出莫尔条纹信号的形式出发，构建了分辨率为0.1 的数字电位计查找表；并设计了实时补偿的关键算法。以23位光电编码器为实验对象，在-40～60 ℃条件下对补偿处理系统测试，实验结果表明：直流漂移1.2%，等幅性2%，且自动补偿时间约为3 s，满足编码器分辨力（0.154）和工作实时性的要求。该方法可实际应用于编码器系统，能够提高编码器的环境适应性和测角可靠性。
首先通过时间加权末位淘汰机制对最小二乘支持向量机（LS-SVM）算法进行改进。其次，将这一算法应用于导引头视线被云层遮挡（穿云）或其他原因导致导引头失锁时对视线角速率的预测。导引头处于锁定状态时应用该算法进行在线训练，导引头视处于失锁状态使用训练形成的决策函数对视线角速率进行在线预测。最后，通过弹道末端设置导引头失锁的数学仿真结果，统计使用预估视线角速率（决策函数输出）作为末端导引信息的多条弹道的脱靶量，确认了最小二乘支持向量机对典型视线角速率信号预测的有效性和用于提高小型空地战术导弹穿云和抗干扰能力的应用前景。
超辐射发光二极管（SLD）光源在变温（-45~70℃）环境下的工作稳定性直接影响光纤陀螺的性能，因此，变温（-45~70℃）情况下其恒流源的驱动稳定性就成为系统设计与优化的关键问题之一。根据恒流模式工作原理，建立了等效电路模型，并得到了表征变温环境恒流源稳定性的数学解析式，根据该式给出了变温环境恒流模式设计的设计依据；利用该解析式还对几种不同情况下恒流源的变温稳定性进行了理论分析与计算；最后给出了验证实验，实验结果与理论计算结果相一致。因此，利用该式可以实现对SLD恒流源性能的有效评估，这对于变温环境下SLD光源驱动设计具有重要指导意义。
针对动态目标的三维姿态不断变化，研究了在单站跟踪模式下，如何利用光测手段快速准确地对飞行目标的姿态进行实时定位的问题。在对目标结构有一定先验知识的前提下，提出了一种基于动态目标结构特征的姿态实时定位方法。方法在跟踪闭环的基础上，对光电摄像机实时采集的目标图像进行二维特征提取，并将此二维特征与目标自身的三维结构特征相对应，通过解算对应的数学关系模型，实现对动态目标姿态的实时定位。通过3 dmax建立场景，模拟飞机的动态飞行过程，开展了仿真实验。方法对动态飞机目标姿态定位准确，且每帧定位所需时间不大于0.02 s，处理频率达到50 Hz，满足了实时性需求。结果表明，该方法对动态目标的姿态实时定位上具有一定的有效性。
制作了一种新型的结合了AlGaN材料结构和Poly（vinylidene fluoride）（PVDF）热释电材料的日盲紫外探测器。当紫外光从AlGaN一侧背照射至器件上时，测量PVDF两端的热释电响应光谱，测得峰值响应在入射光波长为260 nm处，响应电压高达129.6 mV（此时辐射功率为39.8 nW）。器件响应机理为：紫外光被i-Al0.35Ga0.65层吸收，产生光生载流子并复合生热，热量通过AlGaN材料传导给PVDF结构的电极，温度升高，PVDF对温度变化产生响应。为了进一步验证，制作了对比器件，即在AlGaN结构和PVDF结构之间加了一层多孔SiO2隔热层，测得的响应光谱中有两个峰值，一个在260 nm，另外一个在300 nm。与参考器件相比，在260 nm处的响应电压大大减小，说明了利用热效应探测的可行性。另外，测量了不同频率下的器件响应并对其进行理论拟合，深入研究300 nm处的响应机理。
随着半导体工业的发展，集成光电器件的特征尺寸越来越小，纳米光波导表面光滑技术将面临新的挑战。降低纳米光波导表面粗糙度，制造超低损耗纳米光波导，实现其高效片间光互连与片内光耦合，是集成光电子器件，特别是高灵敏微陀螺、生化传感器、光通讯等器件发展的关键。主要分析了光波导表面粗糙度与传播损耗的关系，着重阐述纳米光波导表面光滑工艺方法，包括热氧化法、氢退火法及激光束法的研究现状及最新进展，总结了各类工艺的技术难点与发展前景，并展望其在微机电、光集成方面应用前景。
采用真空蒸镀的方法在多孔氧化铝模板表面得到薄金膜，随后在真空管式炉中进行热处理，热处理中发生的热去湿过程使得金膜在多孔氧化铝表面形成有序的金纳米颗粒阵列。同时还研究了多孔氧化铝模板制备过程中二次氧化的作用，发现一次氧化对二次氧化进行具有一定指导作用；另外，研究了扩孔时间对模板孔径的影响，一定条件下，扩孔时间与孔径成正比例关系；最后研究了镀膜厚度对金纳米颗粒的影响，结果中可以看到，金膜的厚度直接影响金纳米颗粒阵列的形成。最后在分光光度计上的光学测量吸收光谱的结果中，出现了表面等离子体作用引起的很强的吸收峰。
锗单晶衍射光学元件具有特有的色散和温度特性，在红外光学领域，具有广阔的应用前景。衍射元件必须同时满足光学镜面及相位转变点的要求，采用微圆弧金刚石单点车削是解决这一途径的主要方法之一，但采用微圆弧刀具加工时，要求同时满足粗糙度和相位突变点是加工衍射元件的难点，因此，研究微圆弧金刚石刀具车削锗单晶衍射元件具有重大意义。基于DEFORM 3D切削仿真软件，对金刚石刀具车削锗单晶材料进行了仿真分析，分析了切削参数、刀具参数对锗单晶材料粗糙度的影响，并依据仿真试验结果优选切削参数以及刀具参数进行试验，R0.1mm微圆弧刀具车削单晶材料粗糙度达到4 nm。
衍射光学元件被广泛应用于激光光束整形领域中。然而，在实际测量中常常发现衍射效率实际的测量值与设计值存在较大的偏差，原因之一在于输出的焦斑主瓣以外会产生高级次衍射杂散光。文中从理论上推导了高级次衍射杂散光产生的原因并对具有不同设计参数的衍射光学元件进行了仿真分析。通过研究，定义了一个新的参数，相对周期。它与光波波长成正比，与衍射光学元件的采样单元尺寸以及远场衍射角成反比。结果表明，衍射光学元件的衍射效率只是关于相对周期的函数，而与焦斑主瓣的具体形状无关。随着相对周期的增加，衍射效率随之增大。所以可通过适当选取远场衍射角和采样单元尺寸的参数以调整相对周期的大小，有效抑制高级次衍射杂散光。该参数在衍射元件的设计中具有重要的指导意义。
声光可调谐滤波器（Acousto-optic Tunable Filter，AOTF）是一种新型电控滤光元件，具有波长任意选择、光谱扫描速度快、体积小、无运动部件、环境适应性好等诸多优点。分析了AOTF的工作原理及多频模式下实现光谱分辨率可编程的方法，介绍了基于AOTF的新型成像光谱系统，给出了初步的实验结果。该系统工作于可见近红外波段，突出特点为光谱扫描波段、各波段光谱分辨率均可通过软件进行配置，因此相比于传统成像光谱系统具有更高的灵活性和数据效率。
以高光谱遥感影像数据处理中的主成分分析（PCA）和最小噪声分离（MNF）以及光谱相关系数填图（SCM）算法的并行化为目标，分别在集群环境下基于MPI设计并实现了协方差矩阵并行算法，以及基于GPU设计并实现了SCM并行算法，并在高光谱遥感影像数据处理中得到应用和验证。实验结果表明，高光谱遥感影像数据处理高性能计算对于提高和改善其时间性能具有显著效果，是高光谱遥感工程化应用快速处理重要的技术手段。
针对伪装目标检测问题，提出了一种有监督的高光谱伪装目标检测方法。以植被型伪装目标为研究对象，在分析伪装材料与绿色植被光谱之间特性的基础上，先通过光谱重排、光谱微分以及光谱差异性增强处理，对植被型伪装材料与真实植被（背景）之间的光谱差异进行放大，然后利用主成分分析（PCA）变换进行降维，从而实现了一种适用于大面积植被型伪装目标的高光谱检测方法。实验结果表明，该检测方法在检测时间和检测效果上要优于基于加权的约束能量最小化法（WCM-CEM）和基于非监督目标生成处理的正交子空间投影法（UTGP-OSP）。
提出一种对数字微镜进行互补S矩阵编码调制的新方案，经理论分析，互补S矩阵本身具有的优良性质，可将噪声改善度较S矩阵提高约2倍。通过对光谱信号建模，详细推导分析了互补S矩阵应用中的噪声改善理论，证明方案实现的过程中具有削减杂散光和暗电流噪声的作用。最后将其应用于DMD光谱仪中进行实验验证，结果表明：63阶互补S矩阵编码方案较同阶S矩阵编码方案，信噪比提高了1.69倍，与理论分析吻合。
实验测量了硅太阳能电池板在380～780 nm内的光谱双向反射分布函数（BRDF），分析了光谱双向反射分布函数随波长及散射角的变化趋势，将色度学理论和光散射理论相结合，寻找到光散射理论中的双向反射系数与色度学中光谱反射率因数的联系，进而获得了一种通过光谱BRDF测量实现物体色度特性表征的方法。并且采用CIELAB均匀色空间中的明度指数和色品指数、定量地描述了几种入射条件下、不同散射方向上目标样片的颜色特性。将目标样片的光谱双向反射分布函数的研究应用到颜色光学领域中，对目标的探测、识别和颜色复现等具有重要的应用价值。
针对多光谱和全色图像的融合，提出了一种NSCT域内基于改进脉冲耦合神经网络（PCNN）和区域能量的融合方法。首先，利用NSCT将图像分解为一个低频子带和多个不同方向的带通子带。然后，对分解后的低频子带采用基于区域能量的自适应加权算法进行融合；在带通方向子带，结合改进的脉冲耦合神经网络，使用带通方向子带系数作为PCNN的外部输入激励，经过PCNN点火获得待融合图像的点火映射图，根据点火时间计算点火映射图的区域能量，通过判决算子选择待融合图像的带通方向子带系数作为融合系数。最后，对融合处理后的NSCT变换系数进行重构生成融合图像。实验结果显示：在迭代次数为100次时，与改进小波算法相比，标准差提高了9.48%，熵提高了0.95%，相关系数提高了21.56%，偏差指数降低了29.66%；与Contourlet算法相比，标准差提高了9.73%，熵提高了0.94%，相关系数提高了11.27%，偏差指数降低了9.45%；与NSCT算法相比，标准差提高了3.84%，熵提高了3.34%，相关系数提高了7.89%，偏差指数降低了7.42%。
基于高性能激光链路构建高速安全的数据中继卫星系统可为不同轨道、不同功能的对地观测卫星和用户航天器提供大容量、无缝隙的数据中继服务，在军事和民用领域均具有广泛的应用前景。以欧洲为代表的发达国家相继开展了星间激光链路数据中继技术的理论研究和星上演示验证，并启动了相应的工程验证计划。综述了国内外星间激光链路数据中继技术的研究现状，对几种典型激光链路数据中继卫星系统，着重研究了系统结构、激光终端及模拟验证实验。最后，分析了数据中继卫星激光链路组网中着重关注的几个方向。
为了有效抑制大气扰动等因素对空间激光通信性能的影响，介绍一种采用新型调制方式圆偏振移位键控（Circle Polarization Shift Keying，CPolSK）的大气激光通信系统，并简述其工作原理。给出了CPolSK的系统模型，并对系统中影响通信性能的因素进行了分析。主要考虑了探测器噪声和灵敏度、大气信道衰减和发射功率四项主要参数对通信性能的影响，并采用OptiSystem软件对偏振移位键控系统通信过程进行实验研究，结果表明，相同通信条件下，基于CPolSK的大气激光通信系统的综合性能明显优于OOK系统。
为设计高灵敏光纤光栅薄膜传感器，基于耦合模理论研究了表面镀制高折射率敏感薄膜的倾斜长周期光纤光栅（TLPFG）耦合特性和薄膜折射率传感特性。TLPFG能激发高阶（角向序数l1）包层模耦合，高阶包层模耦合系数随倾角增大而增大，80时，高阶包层模耦合系数远小于1阶包层模耦合系数。研究表明，光栅倾角变化不影响包层模耦合谐振波长，但影响光谱透过率。进一步研究了TLPFG在80时1阶5次包层模耦合的光谱透过率对薄膜折射率变化的响应，分析了光栅结构参数（L、、）和薄膜参数（h3，n3）对薄膜折射率响应灵敏度的影响，结果表明，响应灵敏度相比于非倾斜LPFG可提高一个数量级，对薄膜折射率的分辨率可达10-9。
在建立高空平台位置不稳定性模型的基础上，推导PPM调制的光链路误符号率，分析平台位置不稳定性的三种运动方式对平台间误符号率的影响。仿真结果表明：平台转动角度对于光链路的影响最大；平台间距离的变化对于链路的影响最小。并且增加发射功率能够在一定程度上缓解平台位置不稳定性对光链路的影响；较宽的光束发散角对于HAP的不稳定性具有很好的适应性。在仿真条件下，当发散角大于20 rad时，误符号率的变化不是很明显。
提出一种用光纤传感器测量高速旋转构件微小位移量的新方法，实现了非接触式高速、高精度的位移测量。在介绍光纤传感器测量原理的基础上，得出光强与测距之间关系式。将光强转为电压信号，建立电压商值与测距之间的拟合公式。设计V带参数测量实验台，对V带稳定运转时其在轮槽中的径向位移进行测定，进而得出V带在带轮中的轨迹，测量出滑动角的大小。针对原有V带滑动角计算公式中的不足进行优化，得出新的滑动角计算公式。对比实验结果，新公式更接近实验结果，误差更小，为V带的精确设计提供理论依据。
数字图像的清晰度评价对于相机自动对焦而言至关重要。针对现有清晰度评价函数的不足之处，提出了一种针对彩色数字图像的空域清晰度评价算法。此算法利用像素三刺激值之间的色差相关性判定像素点的色彩，建立清晰度色差因子；运用非线性函数提高了像素点的梯度增益系数，使该评价函数对特殊条件下图像的清晰度判定更敏感。实验证明，该评价函数在评价一般自然图像清晰度时比传统评价算法更为敏感；在典型评价函数评价特殊目标图像失效时，该算法依然具有良好的鲁棒性；此算法计算量较小，执行效率高，易于硬件实现。
将压缩感知（CS）理论用于逆合成孔径雷达（ISAR）成像，可以有效利用缺损的雷达回波数据，解决了因数据缺损造成成像质量下降的问题。目前压缩感知中常用的高斯或伯努利等随机测量矩阵独立随机元数目过多，存储空间过大，从而导致硬件实现成本过高。所构造的稀疏带状测量矩阵，通过将测量矩阵进行带状循环移位置零稀疏化，可大幅减少测量矩阵中非零元素数目，降低系统采样要求，节约硬件实现成本，使得压缩感知ISAR成像工程化更容易实现。最后通过仿真和微波暗室实验数据验证了点目标模型下稀疏带状测量矩阵进行ISAR成像的可行性和有效性。
为了快速准确估计出视频序列中存在的全局平移抖动，分析影响全局运动估计精度的各种常见因素，归纳其特点，同时结合相关基础理论，以C-1BT变换为基础，提出一种基于预选算法的快速全局平移运动估计算法。首先，在估计局部运动矢量前，采用预选算法保留能很好代表全局运动性质的部分宏块。其次，根据预选块的特点改变传统自适应十字搜索法（Adaptive Rood Pattern Search，ARPS）的臂长预测部分，减少搜索陷入局部最优的风险。最后，采用平移运动模型得到最终参数。实验仿真结果证明提出方法的快速性和鲁棒性。
针对电子倍增CCD（EMCCD）图像噪声密度随着增益的变化而变化，提出了一种基于噪声点检测的自适应模糊中值滤波算法。该算法由模糊滤波模块和自适应模块两部分组成。首先，该算法对滤波窗口内的中心点进行噪声检测；然后对检测为噪声的像素点引入双阈值，并根据引入的阈值和滤波窗口内的中值建立噪声点的模糊隶属函数，根据模糊隶属函数对噪声点进行滤波处理后输出；最后采用自适应模块调整待处理图像的像素。仿真及实验结果表明，新算法不仅能够有效地将图像中的噪声去除，而且很好地保护了图像中的细节和边缘，PSNR比传统的自适应中值滤波算法平均提高了15 dB以上；该算法在低噪声密度情况下性能明显好于其他中值滤波器，在高噪声密度情况下性能也比较稳定。
提出基于超像素建立物体似然概率模型来检测图像的显著区域。首先根据显著性原理和物体的自然属性分析影响物体显著度大小的因素；然后使用SLIC算法把图像分成K个超像素，并根据纹理、颜色、梯度特征信息建立不同准则下显著物体概率的计算模型：包括类内紧凑性、颜色空间分布估计以及边缘连续性；再结合细胞调节和指数函数的特征对每个准则下的显著物体概率组合得到物体的似然概率；最后利用该算法在较复杂的场景中对显著区域进行提取实验，证明该算法比其他算法更高效。
