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将纳米流体用于光谱分频(spectral beam splitting, SBS)型PV/T系统可提高系统效率，合适粒径的纳米颗粒(nanoparticles, NPs)能有效过滤光伏电池光谱响应外的太阳辐射。采用时域有限差分法(finite difference time domain, FDTD)模拟了Au、Ag、Cu、Fe3O4、ZnO、TiO2六种NPs的光学特性，以单晶硅太阳能电池的光谱响应为例，研究了粒径为20 nm~200 nm六种NPs的光吸收性能，并将契合度作为评价指标优化粒径。结果表明：NPs的光学性质对其粒径大小非常敏感，通过改变NPs粒径，可在较宽范围内调节散射、吸收和消光峰位置，且其峰值均随粒径增大而增加。金属NPs对太阳辐射的吸收能力优于非金属NPs，六种NPs单位体积最大吸收功率分别为21.88 GW/m3、17.95 GW/m3、20.16 GW/m3、2.54 GW/m3、1.02 GW/m3、0.27 GW/m3。契合度指标分析表明，适用于SBS型PV/T系统的六种NPs的最优粒径分别为20 nm、50 nm、20 nm、170 nm、110 nm、20 nm。
将纳米流体用于光谱分频(spectral beam splitting, SBS)型PV/T系统可提高系统效率，合适粒径的纳米颗粒(nanoparticles, NPs)能有效过滤光伏电池光谱响应外的太阳辐射。采用时域有限差分法(finite difference time domain, FDTD)模拟了Au、Ag、Cu、Fe3O4、ZnO、TiO2六种NPs的光学特性，以单晶硅太阳能电池的光谱响应为例，研究了粒径为20 nm~200 nm六种NPs的光吸收性能，并将契合度作为评价指标优化粒径。结果表明：NPs的光学性质对其粒径大小非常敏感，通过改变NPs粒径，可在较宽范围内调节散射、吸收和消光峰位置，且其峰值均随粒径增大而增加。金属NPs对太阳辐射的吸收能力优于非金属NPs，六种NPs单位体积最大吸收功率分别为21.88 GW/m3、17.95 GW/m3、20.16 GW/m3、2.54 GW/m3、1.02 GW/m3、0.27 GW/m3。契合度指标分析表明，适用于SBS型PV/T系统的六种NPs的最优粒径分别为20 nm、50 nm、20 nm、170 nm、110 nm、20 nm。
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回音壁微腔具有超高Q值和极小的模式体积，在微波光子系统、非线性光学和量子光学等领域中具有广阔地应用前景。通过分析mm级氟化镁（MgF2）晶体回音壁微腔的损耗因素，确认了影响回音壁微腔品质因数的主要指标为材料等级和表面粗糙度。设计了mm 级MgF2晶体回音壁微腔的结构形式，使用DUV级MgF2晶体，如果回音壁微腔表面粗糙度小于0.7 nm，则MgF2晶体回音壁微腔的极限损耗理论计算值为4.781×10−11，对应的极限Q值为2.09×1010。通过对MgF2晶体回音壁微腔粗成型、精密车削、精密抛光，实现了高品质因数的微腔制造。测试结果表明，回音壁微腔的表面粗糙度Ra值为0.669 nm、微观形貌PV值为6.767 nm、品质因数为2.054×109@1 550 nm。
回音壁微腔具有超高Q值和极小的模式体积，在微波光子系统、非线性光学和量子光学等领域中具有广阔地应用前景。通过分析mm级氟化镁（MgF2）晶体回音壁微腔的损耗因素，确认了影响回音壁微腔品质因数的主要指标为材料等级和表面粗糙度。设计了mm 级MgF2晶体回音壁微腔的结构形式，使用DUV级MgF2晶体，如果回音壁微腔表面粗糙度小于0.7 nm，则MgF2晶体回音壁微腔的极限损耗理论计算值为4.781×10−11，对应的极限Q值为2.09×1010。通过对MgF2晶体回音壁微腔粗成型、精密车削、精密抛光，实现了高品质因数的微腔制造。测试结果表明，回音壁微腔的表面粗糙度Ra值为0.669 nm、微观形貌PV值为6.767 nm、品质因数为2.054×109@1 550 nm。
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为了满足信息化时代对高清鱼眼镜头的应用需求，文章利用CODE V和Zemax光学软件设计了一款匹配2.54 cm（1英寸）CCD的大孔径玻塑混合鱼眼镜头。该系统可在光谱为486 nm～656 nm以及850 nm范围内清晰成像，视场角为210°，F数2.0，焦距为4.1 mm，F-Theta畸变小于7%，边缘照度大于68%。常温下，该系统在奈奎斯特频率91 lp/mm处0.707视场MTF大于0.5，全视场MTF大于0.35。−40 ℃～+75 ℃状态下0.707视场MTF大于0.3，全视场MTF大于0.2，满足高低温环境下的使用要求。系统采用7片式玻塑混合的结构形式，具备大视场角、大靶面、大光圈等特征，可广泛应用于高清摄像、安防监控、工业生产等领域。
为了满足信息化时代对高清鱼眼镜头的应用需求，文章利用CODE V和Zemax光学软件设计了一款匹配2.54 cm（1英寸）CCD的大孔径玻塑混合鱼眼镜头。该系统可在光谱为486 nm～656 nm以及850 nm范围内清晰成像，视场角为210°，F数2.0，焦距为4.1 mm，F-Theta畸变小于7%，边缘照度大于68%。常温下，该系统在奈奎斯特频率91 lp/mm处0.707视场MTF大于0.5，全视场MTF大于0.35。−40 ℃～+75 ℃状态下0.707视场MTF大于0.3，全视场MTF大于0.2，满足高低温环境下的使用要求。系统采用7片式玻塑混合的结构形式，具备大视场角、大靶面、大光圈等特征，可广泛应用于高清摄像、安防监控、工业生产等领域。
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分析传统直射式和斜射式激光位移传感器的特性，结合两者的优势，设计了一种基于自准直原理的紧凑型激光位移传感器。在结构上，利用直线结构取代了大三角的光路布局，形成自准直式光路结构。引入分光比50%的分束镜，与光轴成45°角放置，将会聚透镜和成像透镜合为一枚，并使聚光镜、分束镜和光电探测器共轴，简化了系统结构，减小了仪器体积，同时，推导了符合自准直原理的Scheimpflug条件。利用光学设计软件Zemax对光学系统进行仿真，系统采用单透镜的结构形式，前表面为Forbes非球面，入瞳直径\begin{document}$ D=4\;\text{mm} $\end{document} ![]()
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分析传统直射式和斜射式激光位移传感器的特性，结合两者的优势，设计了一种基于自准直原理的紧凑型激光位移传感器。在结构上，利用直线结构取代了大三角的光路布局，形成自准直式光路结构。引入分光比50%的分束镜，与光轴成45°角放置，将会聚透镜和成像透镜合为一枚，并使聚光镜、分束镜和光电探测器共轴，简化了系统结构，减小了仪器体积，同时，推导了符合自准直原理的Scheimpflug条件。利用光学设计软件Zemax对光学系统进行仿真，系统采用单透镜的结构形式，前表面为Forbes非球面，入瞳直径
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为了解决多通道投影显示系统中各投影仪投影画面之间颜色不一致的问题，设计了一种基于自由变形技术的多投影颜色校正方法。首先，通过Bernstein基函数建立自由变形技术模型，建立各投影仪原始图像和摄像机拍摄图像之间的颜色转换关系；其次，采集原始图像集和摄像机拍摄的投影显示画面集，确定自由变形技术模型的参数；然后，通过Matlab分析验证投影图像各颜色通道之间是相互影响的；最后，对原始图像进行颜色扭曲，将本文颜色校正方法与传统方法进行直方图相似性评估对比。实验结果表明：对比广义颜色校正方法和基于B样条曲线的颜色校正方法，本文方法将投影画面的颜色强度平均差值在B通道减少了2.50，在G通道减少了2.34，在R通道减少了3.57，直方图的相关性提高了8.9%，巴氏距离降低了9.7%。基于自由变形技术的多投影颜色校正方法使投影画面衔接流畅，给用户带来更好的沉浸感受。
为了解决多通道投影显示系统中各投影仪投影画面之间颜色不一致的问题，设计了一种基于自由变形技术的多投影颜色校正方法。首先，通过Bernstein基函数建立自由变形技术模型，建立各投影仪原始图像和摄像机拍摄图像之间的颜色转换关系；其次，采集原始图像集和摄像机拍摄的投影显示画面集，确定自由变形技术模型的参数；然后，通过Matlab分析验证投影图像各颜色通道之间是相互影响的；最后，对原始图像进行颜色扭曲，将本文颜色校正方法与传统方法进行直方图相似性评估对比。实验结果表明：对比广义颜色校正方法和基于B样条曲线的颜色校正方法，本文方法将投影画面的颜色强度平均差值在B通道减少了2.50，在G通道减少了2.34，在R通道减少了3.57，直方图的相关性提高了8.9%，巴氏距离降低了9.7%。基于自由变形技术的多投影颜色校正方法使投影画面衔接流畅，给用户带来更好的沉浸感受。
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视距是评估微光夜视成像系统性能的一个重要参数。随着微光夜视探测技术的发展，经典视距模型的视距仿真结果与实测结果出现了一些偏差，特别是在10−3 lx低照度条件下视距仿真结果不甚理想，这对微光夜视仪在实际应用中造成了很大的阻碍。针对这一问题，从微光成像系统成像链路的三个环节对经典视距模型进行修正：考虑大气透过率对微光夜视系统视距的影响并对经典视距模型中的大气透过率因子进行修正；基于像增强器噪声因子对视距模型进行修正；考虑人眼视觉传递特性对微光夜视系统视距的影响，在系统的传递函数模型中加入了简化的人眼视觉模型。进而推导出改进的视距模型。结合野外试验数据，验证了改进视距模型的有效性和实用性，这对于微光夜视系统的设计、评估和应用具有一定的指导性意义。
视距是评估微光夜视成像系统性能的一个重要参数。随着微光夜视探测技术的发展，经典视距模型的视距仿真结果与实测结果出现了一些偏差，特别是在10−3 lx低照度条件下视距仿真结果不甚理想，这对微光夜视仪在实际应用中造成了很大的阻碍。针对这一问题，从微光成像系统成像链路的三个环节对经典视距模型进行修正：考虑大气透过率对微光夜视系统视距的影响并对经典视距模型中的大气透过率因子进行修正；基于像增强器噪声因子对视距模型进行修正；考虑人眼视觉传递特性对微光夜视系统视距的影响，在系统的传递函数模型中加入了简化的人眼视觉模型。进而推导出改进的视距模型。结合野外试验数据，验证了改进视距模型的有效性和实用性，这对于微光夜视系统的设计、评估和应用具有一定的指导性意义。
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针对红外光学系统透射比参数无法准确测量的问题，开展了红外光学系统光谱透射比测量和校准技术研究。通过对积分球法、大面积均匀源法等测量方法进行分析，研究构建了基于回返射法的红外光学系统光谱透射比校准装置，并建立了完整的光谱透射比量值溯源和量传链条。利用该装置实现了2 µm~14 µm波长范围的光谱透射比测量，对测量结果进行不确定度分析，结果为2%。相对于以往的透射比测量装置，该装置的测量结果具有更高的准确性和可靠性。
针对红外光学系统透射比参数无法准确测量的问题，开展了红外光学系统光谱透射比测量和校准技术研究。通过对积分球法、大面积均匀源法等测量方法进行分析，研究构建了基于回返射法的红外光学系统光谱透射比校准装置，并建立了完整的光谱透射比量值溯源和量传链条。利用该装置实现了2 µm~14 µm波长范围的光谱透射比测量，对测量结果进行不确定度分析，结果为2%。相对于以往的透射比测量装置，该装置的测量结果具有更高的准确性和可靠性。
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DETR（detection transformer）算法是一个基于Transformer的目标检测算法，具有检测速度快、检测效果好的优势。介绍了一种利用DETR算法及双目视觉原理对道路环境下的人、车、自行车、信号灯等目标进行构建的测量系统。分析了双目测距、相机标定、目标检测以及目标匹配的原理，并以此为基础构建了测量系统。利用目标检测算法检测视野中的目标，利用双目视觉原理对检测到的目标进行测距，同时分析了测量系统中测量误差的来源，并计算其对结果的影响。该算法在KITTI数据集及现实环境中进行测试，测量系统基线为45 cm，对15 m～80 m的指定目标检出率高于90.6%，测距误差小于5.8%，在RTX 2080Ti平台上能够实时运行。
DETR（detection transformer）算法是一个基于Transformer的目标检测算法，具有检测速度快、检测效果好的优势。介绍了一种利用DETR算法及双目视觉原理对道路环境下的人、车、自行车、信号灯等目标进行构建的测量系统。分析了双目测距、相机标定、目标检测以及目标匹配的原理，并以此为基础构建了测量系统。利用目标检测算法检测视野中的目标，利用双目视觉原理对检测到的目标进行测距，同时分析了测量系统中测量误差的来源，并计算其对结果的影响。该算法在KITTI数据集及现实环境中进行测试，测量系统基线为45 cm，对15 m～80 m的指定目标检出率高于90.6%，测距误差小于5.8%，在RTX 2080Ti平台上能够实时运行。
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隐蔽目标的探测一直都是军事上重点研究的领域，随着高光谱成像技术的发展，为这一领域提供了新的解决思路。利用高光谱数据高的谱间分辨率，可在某些波段实现对隐蔽目标和背景的光谱区分。提出了一种基于ACE算法高光谱隐蔽目标探测技术，充分利用了背景和隐蔽目标在不同波段光谱不同的特点，引入了光谱重排技术和一阶微分技术，使得背景光谱出现振荡，从而提取出目标。相较其他算法，本算法提取精度高、虚警率低，实现了较好的隐蔽目标探测效果。
隐蔽目标的探测一直都是军事上重点研究的领域，随着高光谱成像技术的发展，为这一领域提供了新的解决思路。利用高光谱数据高的谱间分辨率，可在某些波段实现对隐蔽目标和背景的光谱区分。提出了一种基于ACE算法高光谱隐蔽目标探测技术，充分利用了背景和隐蔽目标在不同波段光谱不同的特点，引入了光谱重排技术和一阶微分技术，使得背景光谱出现振荡，从而提取出目标。相较其他算法，本算法提取精度高、虚警率低，实现了较好的隐蔽目标探测效果。
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基于几何稳相法求解调制相位，使用傅里叶透镜进行傅里叶变换，在后焦面处聚焦，得到对应的平顶光束，从而将圆形高斯光束整形为方形平顶光束，其中光路参数对整形质量将产生较大影响。实验中发现，方形平顶光束受零级光影响，均匀性较差，因此详细分析了零级光产生的原因，提出了有效的解决方法，并对实验结果中出现的零级光通过叠加闪耀光栅直接移除。实验结果表明：移除零级光后方形平顶光束的能量利用率为72.3%，光束均匀性高达97.2%，优于传统整形方法。最后进一步分析了全息图与入射光束偏移量、离焦以及入射光束束腰半径对几何稳相法整形质量的影响，为几何法光束整形的应用提供了便利。
基于几何稳相法求解调制相位，使用傅里叶透镜进行傅里叶变换，在后焦面处聚焦，得到对应的平顶光束，从而将圆形高斯光束整形为方形平顶光束，其中光路参数对整形质量将产生较大影响。实验中发现，方形平顶光束受零级光影响，均匀性较差，因此详细分析了零级光产生的原因，提出了有效的解决方法，并对实验结果中出现的零级光通过叠加闪耀光栅直接移除。实验结果表明：移除零级光后方形平顶光束的能量利用率为72.3%，光束均匀性高达97.2%，优于传统整形方法。最后进一步分析了全息图与入射光束偏移量、离焦以及入射光束束腰半径对几何稳相法整形质量的影响，为几何法光束整形的应用提供了便利。
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垂直扫描白光干涉法（VSWLI）是一种非接触式三维表面轮廓测量方法。蝙蝠翼作为VSWLI当中一种固有的缺陷，尤其在被测样品的台阶高度小于光源的相干长度时，台阶边缘处的蝙蝠翼尤为显著。相移干涉法不存在这种缺陷，但是存在相位模糊的问题。提出一种将Carré等步长相移算法与快速傅里叶变换（FFT）相干峰值检测技术相结合的白光干涉解调算法。该算法基于逐次变分模态分解（SVMD）与Hausdorff 距离（HD）联合去噪。分别以高度为500 nm和1 200 nm的连续台阶器件和高度为10 μm的标准台阶作为测试样品，进行实验测量验证。所提出的算法能够有效地抑制台阶高度跳变处的蝙蝠翼，克服相位模糊问题。
垂直扫描白光干涉法（VSWLI）是一种非接触式三维表面轮廓测量方法。蝙蝠翼作为VSWLI当中一种固有的缺陷，尤其在被测样品的台阶高度小于光源的相干长度时，台阶边缘处的蝙蝠翼尤为显著。相移干涉法不存在这种缺陷，但是存在相位模糊的问题。提出一种将Carré等步长相移算法与快速傅里叶变换（FFT）相干峰值检测技术相结合的白光干涉解调算法。该算法基于逐次变分模态分解（SVMD）与Hausdorff 距离（HD）联合去噪。分别以高度为500 nm和1 200 nm的连续台阶器件和高度为10 μm的标准台阶作为测试样品，进行实验测量验证。所提出的算法能够有效地抑制台阶高度跳变处的蝙蝠翼，克服相位模糊问题。
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针对单帧复杂背景红外图像点目标检测算法存在复杂背景下处理效果不理想、处理时间长的问题，提出了一种层次卷积滤波检测算法。主要分为2个部分：第一，根据红外小目标特性，设计一种层次卷积滤波的算子，对图像进行滤波处理，实现图像中小目标的增效和背景抑制的效果；第二，采用基于最大值的自适应阈值方法，对图像进行二值化操作，过滤背景杂波，最终提取到待检测的目标。在大量不同背景红外图像中进行实验，论文算法在背景抑制因子和信噪比增益的性能量化结果上优于现有5种典型红外弱小目标检测算法的性能结果，且平均处理时间仅为高斯拉普拉斯（laplacian of gaussian，LoG）滤波算法的30.42%。通过实验对比，表明该层次卷积滤波算法可以有效解决在不同复杂背景下的红外图像中对小目标检测的问题。
针对单帧复杂背景红外图像点目标检测算法存在复杂背景下处理效果不理想、处理时间长的问题，提出了一种层次卷积滤波检测算法。主要分为2个部分：第一，根据红外小目标特性，设计一种层次卷积滤波的算子，对图像进行滤波处理，实现图像中小目标的增效和背景抑制的效果；第二，采用基于最大值的自适应阈值方法，对图像进行二值化操作，过滤背景杂波，最终提取到待检测的目标。在大量不同背景红外图像中进行实验，论文算法在背景抑制因子和信噪比增益的性能量化结果上优于现有5种典型红外弱小目标检测算法的性能结果，且平均处理时间仅为高斯拉普拉斯（laplacian of gaussian，LoG）滤波算法的30.42%。通过实验对比，表明该层次卷积滤波算法可以有效解决在不同复杂背景下的红外图像中对小目标检测的问题。
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为实现物体表面轮廓高精度三维测量，提出一种视场、物距、测量范围均较大的远心光路测量系统。介绍了系统组成及光三角测量原理，论述了投影与成像双光路均与被测表面法线呈45 °夹角的光路搭建方式可降低较大深度测量范围对成像物镜景深的要求。建立系统深度标定理论模型，获得CCD单位像素深度理论值为0.554 4 μm。计算出放大倍率、数值孔径等光路参数并完成光路搭建。通过实验对所搭建测量系统的分辨力、测量范围、光条最小宽度及其边缘质量进行分析。实验结果表明，投影条纹最长2 mm，最小线宽可达8.96 μm，条纹边缘清晰平滑。系统成像畸变小，可实现1.62 µm的光学分辨率及0.54 µm的深度像素分辨率，工作距离65 mm，深度测量范围不低于140 µm，具有良好的测量性能。
为实现物体表面轮廓高精度三维测量，提出一种视场、物距、测量范围均较大的远心光路测量系统。介绍了系统组成及光三角测量原理，论述了投影与成像双光路均与被测表面法线呈45 °夹角的光路搭建方式可降低较大深度测量范围对成像物镜景深的要求。建立系统深度标定理论模型，获得CCD单位像素深度理论值为0.554 4 μm。计算出放大倍率、数值孔径等光路参数并完成光路搭建。通过实验对所搭建测量系统的分辨力、测量范围、光条最小宽度及其边缘质量进行分析。实验结果表明，投影条纹最长2 mm，最小线宽可达8.96 μm，条纹边缘清晰平滑。系统成像畸变小，可实现1.62 µm的光学分辨率及0.54 µm的深度像素分辨率，工作距离65 mm，深度测量范围不低于140 µm，具有良好的测量性能。
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反射式高分辨力光学系统是未来机载望远系统的发展方向。当光学系统工作在航空平台，由于受温度变化、振动冲击等因素的影响，光学系统将存在失调误差，需要对其进行空中校正。建立了反射镜失调量与泽尼克（Zernike）系数之间的非线性函数数学模型，采用Bhattacharyya系数方法去除相关性强的失调量，减少空中装调的复杂程度，增加可靠性。经过校正某同轴三反消像散系统，计算结果表明，系统的波像差均方根值（RMS）减小到0.025 λ，与设计值相差小于0.014 λ，满足空中装调需求。
反射式高分辨力光学系统是未来机载望远系统的发展方向。当光学系统工作在航空平台，由于受温度变化、振动冲击等因素的影响，光学系统将存在失调误差，需要对其进行空中校正。建立了反射镜失调量与泽尼克（Zernike）系数之间的非线性函数数学模型，采用Bhattacharyya系数方法去除相关性强的失调量，减少空中装调的复杂程度，增加可靠性。经过校正某同轴三反消像散系统，计算结果表明，系统的波像差均方根值（RMS）减小到0.025 λ，与设计值相差小于0.014 λ，满足空中装调需求。
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为构建适用于长时跟踪的重检测模块，受改进二阶段检测网络的GlobalTrack方法的启发，提出了一种高效的对特定模板目标进行端到端重检测的深度网络：首先，为了在大尺度图像上更高效的融合模板特征，通过构造交叉信息增强模块改进深度互相关方法，利用交叉通道注意力信息编码搜索特征和模板特征；此外，采用动态实例交互模块替代传统二阶段网络的RPN（region proposal network）和RCNN(region-based convolutional neural networks)结构，根据模板信息指导检测网络的分类和回归阶段，构建了端到端的稀疏重检测结构。在LaSOT和OxUva长时跟踪数据集上进行对比实验，本文方法相较于原始方法性能提升3%，实时帧率提升173%。实验结果表明，改进后的方法可以在全图范围内更准确、快速地重新检测模板目标。
为构建适用于长时跟踪的重检测模块，受改进二阶段检测网络的GlobalTrack方法的启发，提出了一种高效的对特定模板目标进行端到端重检测的深度网络：首先，为了在大尺度图像上更高效的融合模板特征，通过构造交叉信息增强模块改进深度互相关方法，利用交叉通道注意力信息编码搜索特征和模板特征；此外，采用动态实例交互模块替代传统二阶段网络的RPN（region proposal network）和RCNN(region-based convolutional neural networks)结构，根据模板信息指导检测网络的分类和回归阶段，构建了端到端的稀疏重检测结构。在LaSOT和OxUva长时跟踪数据集上进行对比实验，本文方法相较于原始方法性能提升3%，实时帧率提升173%。实验结果表明，改进后的方法可以在全图范围内更准确、快速地重新检测模板目标。
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针对目前基于卷积神经网络的桥梁病害检测算法准确度较低的问题，提出改进的YOLOX算法来提高检测的精度。通过使用主干网络浅层的特征信息，改进了特征提取加强网络，并且加入了同层的特征信息进行融合；引入改进的坐标注意力机制，将位置信息和通道信息结合来增强网络对桥梁病害的识别；同时对定位损失函数进行了改进。实验结果表明：改进的YOLOX网络结构对于桥梁病害检测的准确度达到92.11%，比原网络提高了4.40%。
针对目前基于卷积神经网络的桥梁病害检测算法准确度较低的问题，提出改进的YOLOX算法来提高检测的精度。通过使用主干网络浅层的特征信息，改进了特征提取加强网络，并且加入了同层的特征信息进行融合；引入改进的坐标注意力机制，将位置信息和通道信息结合来增强网络对桥梁病害的识别；同时对定位损失函数进行了改进。实验结果表明：改进的YOLOX网络结构对于桥梁病害检测的准确度达到92.11%，比原网络提高了4.40%。
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为了减小激光通信终端体积与能耗，同时保证通光孔径和放大倍率，该文根据折反式望远镜的高斯光学及赛德尔像差理论设计了一款改进的Dall-Kirkham接收望远镜。该镜头由两片反射镜、五片透镜组成，接收信号光波长为974 nm和1550 nm，通光口径为60 mm，相对孔径为1/3.38，出瞳距为50 mm，视场角为6 mrad，总长为111.04 mm，工作温度为20 ℃±10 ℃。优化后镜头在0.5 mrad视场内波像差优于（1/40） λ，6 mrad视场内波像差优于（1/20） λ，能量集中。为了实现无热化设计，文中给出了结构材料的选取与设计方式，并分析了±10 ℃温差下光学系统的波像差变化，结果表明镜头成像质量良好，满足应用需求。
为了减小激光通信终端体积与能耗，同时保证通光孔径和放大倍率，该文根据折反式望远镜的高斯光学及赛德尔像差理论设计了一款改进的Dall-Kirkham接收望远镜。该镜头由两片反射镜、五片透镜组成，接收信号光波长为974 nm和1550 nm，通光口径为60 mm，相对孔径为1/3.38，出瞳距为50 mm，视场角为6 mrad，总长为111.04 mm，工作温度为20 ℃±10 ℃。优化后镜头在0.5 mrad视场内波像差优于（1/40） λ，6 mrad视场内波像差优于（1/20） λ，能量集中。为了实现无热化设计，文中给出了结构材料的选取与设计方式，并分析了±10 ℃温差下光学系统的波像差变化，结果表明镜头成像质量良好，满足应用需求。
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三通道355 nm光学鉴频器广泛应用在星载测风激光雷达回波信号鉴频过程中，它是实现双边缘风速多普勒鉴频的核心元件，其指标与可靠性决定了系统探测精度。本文研制了基于压电换能器(piezo-electric transducer, PZT)调谐的355 nm三通道标准具鉴频模块，模块有效口径35 mm，峰值透过率75%，自由光谱范围12.5 GHz，半高宽1.7 GHz。通过三通道测试系统对自由光谱范围、半高宽、峰值透过率、调谐系数等指标进行了测试。结果表明：当外部驱动电压为75 V时，峰值透过率分别为0.859、0.878和0.735，半高全宽分别为1.843 GHz、1.882 GHz和1.611 GHz，调谐系数为1.96 GHz/V、1.93 GHz/V和1.88 GHz/V。针对光学鉴频模块三个通道PZT调谐系数不一致的情况，分析出对风速误差的影响范围为±0.1 m/s。通过对闭环控制系统的测试，该系统可实现对355 nm激光发射频率的实时锁定，解决了光学鉴频模块每次工作状态初始位置不一致情况带来的问题，提高了风速鉴频精度，可实现锁定时间长达30 min以上，满足了星载测风激光雷达应用需求。另外，仿真研究表明：当三通道光学鉴频模块间隔变化0.08 nm时，引起的风速误差为1 m/s。
三通道355 nm光学鉴频器广泛应用在星载测风激光雷达回波信号鉴频过程中，它是实现双边缘风速多普勒鉴频的核心元件，其指标与可靠性决定了系统探测精度。本文研制了基于压电换能器(piezo-electric transducer, PZT)调谐的355 nm三通道标准具鉴频模块，模块有效口径35 mm，峰值透过率75%，自由光谱范围12.5 GHz，半高宽1.7 GHz。通过三通道测试系统对自由光谱范围、半高宽、峰值透过率、调谐系数等指标进行了测试。结果表明：当外部驱动电压为75 V时，峰值透过率分别为0.859、0.878和0.735，半高全宽分别为1.843 GHz、1.882 GHz和1.611 GHz，调谐系数为1.96 GHz/V、1.93 GHz/V和1.88 GHz/V。针对光学鉴频模块三个通道PZT调谐系数不一致的情况，分析出对风速误差的影响范围为±0.1 m/s。通过对闭环控制系统的测试，该系统可实现对355 nm激光发射频率的实时锁定，解决了光学鉴频模块每次工作状态初始位置不一致情况带来的问题，提高了风速鉴频精度，可实现锁定时间长达30 min以上，满足了星载测风激光雷达应用需求。另外，仿真研究表明：当三通道光学鉴频模块间隔变化0.08 nm时，引起的风速误差为1 m/s。
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主、次镜支撑技术是共光路光学系统的关键技术之一。针对在±60℃温度变化范围内工作的机载共光路光学系统，根据热膨胀系数匹配原则分别选择殷钢和ULE、钛合金和K9配对作为主、次镜及支撑结构的材料，并设计了高刚度的无热化柔性支撑结构。最后，利用自研的光机联合仿真程序对主、次镜面型及整个光学系统的成像质量进行了光机一体化分析。分析结果表明：殷钢和ULE配对时，在±60 ℃均匀温差和10 ℃轴向、径向温度梯下主次镜去除离焦后面型优于（1/100）λ，整个光学系统点列图RMS半径小于艾里斑半径，相面中心波前优于（1/50）λ，MTF@63 lp/mm优于0.45，无热化柔性支撑的一阶固有频率高达263 Hz；钛合金和K9配对时，60 ℃均匀温差下系统成像指标满足使用要求，10 ℃轴向、径向温度下成像质量无法满足使用要求。对装调完的殷钢和ULE配对光机系统进行了低温下分辨率测试，分辨率无明显变化，说明设计及分析可行。
主、次镜支撑技术是共光路光学系统的关键技术之一。针对在±60℃温度变化范围内工作的机载共光路光学系统，根据热膨胀系数匹配原则分别选择殷钢和ULE、钛合金和K9配对作为主、次镜及支撑结构的材料，并设计了高刚度的无热化柔性支撑结构。最后，利用自研的光机联合仿真程序对主、次镜面型及整个光学系统的成像质量进行了光机一体化分析。分析结果表明：殷钢和ULE配对时，在±60 ℃均匀温差和10 ℃轴向、径向温度梯下主次镜去除离焦后面型优于（1/100）λ，整个光学系统点列图RMS半径小于艾里斑半径，相面中心波前优于（1/50）λ，MTF@63 lp/mm优于0.45，无热化柔性支撑的一阶固有频率高达263 Hz；钛合金和K9配对时，60 ℃均匀温差下系统成像指标满足使用要求，10 ℃轴向、径向温度下成像质量无法满足使用要求。对装调完的殷钢和ULE配对光机系统进行了低温下分辨率测试，分辨率无明显变化，说明设计及分析可行。
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基于密度泛函（DFT）理论采用CAM-B3LYP方法，以C32分子为多极矩构建骨架，设计了两类替位式共掺杂的富勒烯衍生物C28B2N2和C28B2P2，共16种同分异构体，并对它们的电子性质、线性极化率α和一阶超极化率β进行研究。结果表明，掺杂后分子的HOMO-LUMO能隙变小，C28B2P2的α和β值均大于C28B2N2系列。其中偶极分子具有大的β值，八极分子则有较小的β值，筛选出具有优异的二阶非线性光学（NLO）响应特性的结构。含时密度泛函理论（TD-DFT）的结果表明，与C32相比，掺杂后所有结构的吸收光谱的响应范围变宽，最大吸收强度减弱，且最大吸收波长的位置发生红移或蓝移。基于完全态求和（SOS）方法，分别用二能级或三能级公式解释了两类共掺杂结构中β值最大的来源，并且证明了与之有关的电子激发类型为π→π*激发。
基于密度泛函（DFT）理论采用CAM-B3LYP方法，以C32分子为多极矩构建骨架，设计了两类替位式共掺杂的富勒烯衍生物C28B2N2和C28B2P2，共16种同分异构体，并对它们的电子性质、线性极化率α和一阶超极化率β进行研究。结果表明，掺杂后分子的HOMO-LUMO能隙变小，C28B2P2的α和β值均大于C28B2N2系列。其中偶极分子具有大的β值，八极分子则有较小的β值，筛选出具有优异的二阶非线性光学（NLO）响应特性的结构。含时密度泛函理论（TD-DFT）的结果表明，与C32相比，掺杂后所有结构的吸收光谱的响应范围变宽，最大吸收强度减弱，且最大吸收波长的位置发生红移或蓝移。基于完全态求和（SOS）方法，分别用二能级或三能级公式解释了两类共掺杂结构中β值最大的来源，并且证明了与之有关的电子激发类型为π→π*激发。
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为攻克高陡度球面光学零件成型技术，以半球及超半球红外光学整流罩为研究对象，提出了一种子孔径铣磨加工方法。对传统范成法铣磨成型理论进行拓展，将球面离散为一系列子孔径环带，砂轮沿环带“步进”运动，拼接成型得到完整的球面。分析了成型球面与三轴机床位置坐标之间的转换关系，对加工运动轨迹进行仿真，开展半径误差补偿验证实验及变速进给参数优化实验，提出变半径铣磨法解决超半球加工材料过切问题。对长径比分别为0.5（半球）和0.55（超半球）的热压硫化锌、镁铝尖晶石整流罩开展成型工艺试验，加工表面各点矢高差<4 µm，表面粗糙度Ra<1.5 µm。实验结果表明该方法具有可行性，为高陡度球面加工提供了有效的解决方案。
为攻克高陡度球面光学零件成型技术，以半球及超半球红外光学整流罩为研究对象，提出了一种子孔径铣磨加工方法。对传统范成法铣磨成型理论进行拓展，将球面离散为一系列子孔径环带，砂轮沿环带“步进”运动，拼接成型得到完整的球面。分析了成型球面与三轴机床位置坐标之间的转换关系，对加工运动轨迹进行仿真，开展半径误差补偿验证实验及变速进给参数优化实验，提出变半径铣磨法解决超半球加工材料过切问题。对长径比分别为0.5（半球）和0.55（超半球）的热压硫化锌、镁铝尖晶石整流罩开展成型工艺试验，加工表面各点矢高差<4 µm，表面粗糙度Ra<1.5 µm。实验结果表明该方法具有可行性，为高陡度球面加工提供了有效的解决方案。
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为满足航空航天大部件对制孔质量的数字化原位检测需求，提出一种基于特征板的制孔多视点云拼接方法，实现孔壁完整三维形貌重建与检测。分析制孔多视检测的需求，提出采用特征定位板辅助的多视点云配准方法。介绍了内角不等四边形特征板的设计与相应的点云分割、识别算法。说明基于特征自定位的多视点云拼接及参数提取方法。结合机械臂搭建实验平台，对常用钛、铝及复合材料的试件模拟原位检测，结果显示各平均误差分别为0.011 mm、0.034 mm、0.041 mm，验证了配准算法的可靠性；并对比传统单视与该方法检测结果，体现该方法的鲁棒性。
为满足航空航天大部件对制孔质量的数字化原位检测需求，提出一种基于特征板的制孔多视点云拼接方法，实现孔壁完整三维形貌重建与检测。分析制孔多视检测的需求，提出采用特征定位板辅助的多视点云配准方法。介绍了内角不等四边形特征板的设计与相应的点云分割、识别算法。说明基于特征自定位的多视点云拼接及参数提取方法。结合机械臂搭建实验平台，对常用钛、铝及复合材料的试件模拟原位检测，结果显示各平均误差分别为0.011 mm、0.034 mm、0.041 mm，验证了配准算法的可靠性；并对比传统单视与该方法检测结果，体现该方法的鲁棒性。
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太赫兹飞行时间（Terahertz Time-of-Flight,THz-TOF）法具有快速、无损、高精度等优点，是厚度检测领域的新型发展方向。然而大气环境中水蒸气对太赫兹波存在较强的吸收，限制了THz-TOF法在大气环境中的应用。分析了THz-TOF法中太赫兹波在大气环境中的传播机理；提出了一种基于吸收模型的水蒸气消除方法；以两种塑料板样品为对象开展了应用研究。通过和干燥环境中测量的结果进行对比，结果表明：该方法能够有效消除水蒸气的干扰，实现大气环境中材料的厚度和折射率的准确测量。
太赫兹飞行时间（Terahertz Time-of-Flight,THz-TOF）法具有快速、无损、高精度等优点，是厚度检测领域的新型发展方向。然而大气环境中水蒸气对太赫兹波存在较强的吸收，限制了THz-TOF法在大气环境中的应用。分析了THz-TOF法中太赫兹波在大气环境中的传播机理；提出了一种基于吸收模型的水蒸气消除方法；以两种塑料板样品为对象开展了应用研究。通过和干燥环境中测量的结果进行对比，结果表明：该方法能够有效消除水蒸气的干扰，实现大气环境中材料的厚度和折射率的准确测量。
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传统的大口径光学元件干涉测量方法依赖于根据不同测试样品人为改变扩束镜头和光路结构，该方法不可避免引入一些系统误差，因此针对双光路干涉仪的功能需要和仿真实验，提出了一套对应的双线控制方案。通过蓝牙通信、串口通信和机械结构的相互配合可以对光路进行多次折转和校准，使得每次切换测量口径后的光学元件变化位置固定，并在基于MFC(microsoft foundation classes)开发的交互界面显示实时状态。结果表明：在450 mm测量口径下：PV10测量重复性可达到0.004 λ，RMS测量重复性可达到0.000 4 λ，在100 mm测量口径下：PV10测量重复性可达到0.000 8 λ，RMS测量重复性可达到0.000 16 λ。最后由实验结果表明该系统保障了优越的测量效率和测量重复性，为双光路干涉仪的研发提供了参考价值。
传统的大口径光学元件干涉测量方法依赖于根据不同测试样品人为改变扩束镜头和光路结构，该方法不可避免引入一些系统误差，因此针对双光路干涉仪的功能需要和仿真实验，提出了一套对应的双线控制方案。通过蓝牙通信、串口通信和机械结构的相互配合可以对光路进行多次折转和校准，使得每次切换测量口径后的光学元件变化位置固定，并在基于MFC(microsoft foundation classes)开发的交互界面显示实时状态。结果表明：在450 mm测量口径下：PV10测量重复性可达到0.004 λ，RMS测量重复性可达到0.000 4 λ，在100 mm测量口径下：PV10测量重复性可达到0.000 8 λ，RMS测量重复性可达到0.000 16 λ。最后由实验结果表明该系统保障了优越的测量效率和测量重复性，为双光路干涉仪的研发提供了参考价值。
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设计并搭建了一套1 064 nm、532 nm的双波长光学元件激光损伤阈值自动测量装置，用于光学元件膜层激光损伤阈值的自动化检测。装置主要由脉冲激光光源、光束参数诊断组件、损伤在线诊断组件、待测件扫描运动平台和控制系统组成。整个测量装置和测量过程由基于Labview编制的计算机综合测量软件自动控制，可实现损伤阈值在0.1 J/cm2～100 J/cm2能量密度范围内的自动测量，并利用该装置对1 064 nm增透膜和铝反射膜样品进行了测量，得到损伤阈值分别为27.09 J/cm2和3.21 J/cm2，相对不确定度分别为3.91%和5.61%。
设计并搭建了一套1 064 nm、532 nm的双波长光学元件激光损伤阈值自动测量装置，用于光学元件膜层激光损伤阈值的自动化检测。装置主要由脉冲激光光源、光束参数诊断组件、损伤在线诊断组件、待测件扫描运动平台和控制系统组成。整个测量装置和测量过程由基于Labview编制的计算机综合测量软件自动控制，可实现损伤阈值在0.1 J/cm2～100 J/cm2能量密度范围内的自动测量，并利用该装置对1 064 nm增透膜和铝反射膜样品进行了测量，得到损伤阈值分别为27.09 J/cm2和3.21 J/cm2，相对不确定度分别为3.91%和5.61%。
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为了实现对等离子体光栅共振波长的测量，研究光栅参数对应力的响应敏感程度，提出了一种新型的应力敏感型聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜等离子体光栅。利用时域有限差分法(FDTD)原理，建立了一种周期性等离子体光栅结构仿真模型。借助周期边界条件，通过对光栅施加应力，改变等离子体光栅参数(即周期、占空比及Au膜厚度)来实现共振波长的测量，研究光栅参数对力的响应敏感程度；并将仿真结果与理论值相比较得出相对误差。结果表明，当光栅周期为0.7 μm，占空比为55%，金膜厚度为0.02 μm时，此时对力的响应最敏感；其次，将仿真所得不同周期时的共振波长与理论值相比较可知二者结果相吻合；周期为0.7 μm时，共振峰的波长为1.251 μm，理论与仿真所得相对误差都小于2%，结果较为准确。此方法在单色仪、光谱仪和传感等领域中具有重要作用。
为了实现对等离子体光栅共振波长的测量，研究光栅参数对应力的响应敏感程度，提出了一种新型的应力敏感型聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜等离子体光栅。利用时域有限差分法(FDTD)原理，建立了一种周期性等离子体光栅结构仿真模型。借助周期边界条件，通过对光栅施加应力，改变等离子体光栅参数(即周期、占空比及Au膜厚度)来实现共振波长的测量，研究光栅参数对力的响应敏感程度；并将仿真结果与理论值相比较得出相对误差。结果表明，当光栅周期为0.7 μm，占空比为55%，金膜厚度为0.02 μm时，此时对力的响应最敏感；其次，将仿真所得不同周期时的共振波长与理论值相比较可知二者结果相吻合；周期为0.7 μm时，共振峰的波长为1.251 μm，理论与仿真所得相对误差都小于2%，结果较为准确。此方法在单色仪、光谱仪和传感等领域中具有重要作用。
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针对两点封装，建立光纤光栅加速度检波器通用模型，理论推导加速度检波器灵敏度和谐振频率的解析表达式，深入研究加速度灵敏度和谐振频率的影响因素，讨论封装光纤刚度系数与检波器结构刚度系数之比对检波器响应特性的影响，并分析刚度比分别在0～1、0～100范围随着等效质量的增大（0～100 g），加速度灵敏度和谐振频率的制约关系，及在0～500 Hz（中低频）和0～1 200 Hz（中高频）范围内灵敏度的变化规律。此外，分别以封装光纤长度为10 mm和60 mm举例分析长度对上述二者的影响，各项仿真中灵敏度均会高达～1 000 pm/G，并引入品质因数的概念。所提理论研究对FBG加速度检波器的设计和综合性能的评价具有重要的指导意义，为器件参数优化提供理论依据。
针对两点封装，建立光纤光栅加速度检波器通用模型，理论推导加速度检波器灵敏度和谐振频率的解析表达式，深入研究加速度灵敏度和谐振频率的影响因素，讨论封装光纤刚度系数与检波器结构刚度系数之比对检波器响应特性的影响，并分析刚度比分别在0～1、0～100范围随着等效质量的增大（0～100 g），加速度灵敏度和谐振频率的制约关系，及在0～500 Hz（中低频）和0～1 200 Hz（中高频）范围内灵敏度的变化规律。此外，分别以封装光纤长度为10 mm和60 mm举例分析长度对上述二者的影响，各项仿真中灵敏度均会高达～1 000 pm/G，并引入品质因数的概念。所提理论研究对FBG加速度检波器的设计和综合性能的评价具有重要的指导意义，为器件参数优化提供理论依据。
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为解决雾天场景图像恢复过程中图像清晰度和对比度下降的问题，提出了一种结合残差学习和导向滤波的单幅图像去雾算法。使用雾天图像与对应的清晰图像构建残差网络；采用多尺度卷积提取更多细节的雾霾特征；利用导向滤波各向异性的优点，对残差网络去雾后的图像进行滤波以保持图像边缘特性，得到更加清晰的无雾图像。实验结果表明，与DCP算法、CAP算法、SRCNN算法、DehazeNet算法和MSCNN算法相比，在合成雾天图像上，峰值信噪比值最高达到27.840 3/dB，结构相似度值最高达到0.979 6，在自然雾天图像上的运行时间最低达到了0.4 s，主观评价和客观评价均优于其它对比算法。所提去雾算法不仅去雾效果较优，而且速度较快，具有较强的实用价值。
为解决雾天场景图像恢复过程中图像清晰度和对比度下降的问题，提出了一种结合残差学习和导向滤波的单幅图像去雾算法。使用雾天图像与对应的清晰图像构建残差网络；采用多尺度卷积提取更多细节的雾霾特征；利用导向滤波各向异性的优点，对残差网络去雾后的图像进行滤波以保持图像边缘特性，得到更加清晰的无雾图像。实验结果表明，与DCP算法、CAP算法、SRCNN算法、DehazeNet算法和MSCNN算法相比，在合成雾天图像上，峰值信噪比值最高达到27.840 3/dB，结构相似度值最高达到0.979 6，在自然雾天图像上的运行时间最低达到了0.4 s，主观评价和客观评价均优于其它对比算法。所提去雾算法不仅去雾效果较优，而且速度较快，具有较强的实用价值。
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