卫星激光通信凭借其宽带宽以及无电磁频谱约束等特点，成为解决卫星微波通信带宽瓶颈和缓减卫星频谱资源紧张，实现卫星高速通信的有效手段。本文介绍了卫星激光通信的系统组成及特点，分析了国内外卫星激光通信技术领域的发展脉络、最新研究进展和未来发展规划。结合未来空间网络与深空探测需求，从高速化、深空化、集成化、网络化、全光化五个方面总结了发展趋势，并对未来涉及的关键技术进行了讨论，为我国卫星激光通信技术研究提供借鉴和参考。

水下无线光传输面临功率衰减和时域宽度变大的问题，蓝绿光长距离传输特性更难以测试。利用蒙特卡洛法对水下蓝绿高斯光束传输过程进行仿真，分析海水类型、传输距离和发散角等因素对接收功率及脉冲响应的影响，数值对比小发散角情况下不同海水类型和传输距离的接收面上功率分布。结果表明，随着海水衰减系数、传输距离和发散角的增加，接收功率逐渐减小，时域宽度扩展变大。其中浑浊港湾海水在10 m以上传输距离时，接收功率受发散角的影响微乎其微，而时域宽度随发散角的增加由0.32 ns变为0.8 ns。虽然传输距离相差一倍，纯海水和清澈海水功率相似度依然高达99%。基于海水衰减系数的差异性，利用功率相似度和面积比来研究水下长距离的传输，可高效快速地获得长距离传输特性。

报道了实验室内56 km光纤微波频率传递的实验研究，在56 km的传递距离上实现了1.8×10^-15/s，4×10^-18/10⁴s的传递稳定度。系统通过环回法比较往返传递的微波信号相位获得链路上的相位扰动量，并实时控制本地发射端的微波发射信号相位实现预补偿。在环回往返传递的不同方向上，系统方案采用不同频率的微波调制信号，这种方法极大避免了光寄生反射效应的影响，同时利用色散补偿光纤改善探测信号相噪等措施，提高了系统的传递稳定度。

提出了一种光纤折射率分布的测量方法，采用白光扫描干涉技术，并在参考镜上构造与光纤样品相同的结构来克服白光相干长度短的限制，优化了光路，提高了干涉条纹间的对比度。采用与白光干涉信号的包络线呈高斯分布的Morlet小波作为小波变换的母小波进行拟合处理，得到光纤与已知折射率的匹配液之间的相对高度。通过计算获得光纤的折射率分布，并对获得的数据采用光纤折射率分布的经典函数进行拟合，得到多模光纤和单模光纤的决定系数分别为0.997 2和0.996 4。最后将实验获得的结果与官方参数进行比较，误差为0.01%，表明该种方法测量的精度较高，完全可以用来测量光纤的折射率。

对脉冲光和连续光两种激光雷达系统进行了改进，在原有激光雷达系统的基础上进一步细化设计参数，并结合系统本身限制选择更合适的设备。对两种激光雷达系统回波信号进行模拟计算，并就信噪比和实现难度等方面进行了对比，结果表明，脉冲光激光雷达更合适探测热层和外逸层亚稳态氦密度。

搭建了便于外场观测的3.3 μm激光外差光谱仪，实测其光谱分辨率为0.004 cm^-1。利用该设备测量了青海格尔木地区整层大气臭氧的吸收光谱，并结合最优估算法反演了该地区的臭氧浓度。测量期间，格尔木地区臭氧柱浓度均值约241.7 DU，且浓度随观测时间呈上升趋势，上升速度约4 DU/h。结果表明，该激光外差光谱仪结合最优估算法能够实现高海拔地区整层大气臭氧浓度的测量，在环境、气象及激光大气传输等研究领域具有重要的应用前景。

光信号在大气湍流中发生畸变，畸变光信号经过有缺陷的光学天线和空间光混频器后，存在混频效率低及抖动的问题。针对空间输出型和单模输出型的90°空间光混频器，推导了带初级像差的90°空间光混频器模型，并研究了湍流对混频效率的影响。仿真结果表明，对于探测器靶面半径为50 μm的空间输出型混频器，像差量为0.2λ的倾斜、球差、离焦、彗差和像散分别导致混频效率下降9.8%、0.6%、0.36%、0.02%和0.01%。对于单模输出型混频器，像差量为0.2λ的倾斜、像散、离焦、彗差和球差分别导致混频效率下降14.11%、8.39%、6.35%、2.63%和1.13%。湍流强度Cn²小于6.4×10^-17 m^-2/3时，空间输出型比单模输出型混频器的混频效率高19%以上，在湍流强度Cn²大于6.4×10^-16 m^-2/3时，两者混频效率接近于0。最后设计加工了空间输出型和单模输出型90°混频器，并搭建性能测试平台。对于探测器靶面半径为50 μm的空间输出型混频器，像差量为0.2λ的倾斜、球差和离焦导致混频效率下降52%、10%和6%；对于单模输出型混频器，像差量为0.2λ的倾斜、像散和离焦导致混频效率下降65%、24%和11%，其他像差对混频效率没有影响。湍流对混频器性能影响的实验结果显示，空间输出型光混频器中频信号值的标准差为21.388，该值远低于单模输出型标准差247.442。

基于风场探测的需求，采用1 550 nm波长连续激光种子源搭建了一套全光纤结构多普勒相干测风雷达系统。从雷达方程出发，对连续激光相干雷达载噪比方程和不同雷达收发望远镜聚焦位置下风速合成权重进行了分析。针对测风雷达要求设计了5~200 m的变焦激光收发望远镜模块。扩束系统采用伽利略折射式结构，发射光束准直下扩束比为23，光学质量接近衍射极限。标定测试通过对旋转电机圆盘转速测量完成。转盘转速范围为－3 000 r/min到+3 000 r/min，转盘直径为26 cm。在视向速度多普勒频移分别为正向和负向时，雷达系统速度测量结果与通过圆盘转速计算值的相关系数为0.998与0.993，标准差为0.151 m/s和0.229 m/s。使用该测风激光雷达开展室外大气风速探测实验，取得了良好效果。

为研究激光冲击对E690高强钢激光熔覆修复层微观组织的影响，选用专用金属粉末对E690高强钢试样预制凹坑进行激光熔覆修复，并使用脉冲激光对激光熔覆层进行冲击强化处理，同时采用扫描电镜、透射电镜和X射线应力分析仪分别对激光冲击前后激光熔覆层的微观组织和表面残余应力进行检测。结果表明：激光熔覆修复后，激光熔覆层组织为等轴晶，熔覆层与E690高强钢基体之间冶金结合良好，其表面残余应力为均匀分布的压应力。经激光冲击后，激光熔覆层截面晶粒得到细化，并观察到大量的形变孪晶，互相平行的孪晶界分割熔覆层粗大晶粒，在激光熔覆层的晶粒细化过程中发挥着重要作用；试样表层位错在｛110｝滑移面上发生交滑移，在晶界周围形成了位错缠结。经激光冲击后，激光熔覆层冲击区域表面残余压应力数值相较于冲击前提升了1.1倍。

为了减小多晶硅表面入射光的反射率，提高太阳能电池的光电效率，利用紫外纳秒激光器在多晶硅表面制备不同深度、不同间距的微凹坑点阵绒面，研究织构形貌对反射率及光电转换效率的影响。通过激光频率的改变实现微凹坑深度的变化，通过微凹坑排布方式的改变实现微凹坑间距的变化；使用光纤光谱仪测量多晶硅表面反射率并通过激光共聚焦显微镜观察微凹坑形貌；在PC1D软件中建立多晶硅入射光反射模型并模拟不同点阵间距下的多晶硅短路电流和开路电压，计算光电转换效率和填充因子。研究表明，不同频率（300 kHz、200 kHz、150 kHz、50 kHz）和点阵排布方式（300×300、310×310、350×350、400×400）对多晶硅表面的反射率和光电转换效率影响显著，随着频率增大，多晶硅试样反射率先减小后增加最后保持稳定；随着点阵排布密集程度增加，多晶硅试样光电转换效率逐渐提高。实验结果显示当激光频率为150 kHz，点阵分布为400×400时，多晶硅表面微凹坑成型较好，表面平均反射率为3.32%，多晶硅电池的效率为18.80%，相较于未制绒多晶硅电池提高25.9%。

借助波导转角镜结构，利用古斯-汉欣空间位移和热光效应折射率调制的有效组合，提出了波导反射模式数字式热光开关结构。在给定入射角的条件下优化了空间古斯-汉欣位移，在具有古斯-汉欣效应的本征态下，反射光束出现了较大的跳跃。在1.0 μm 厚硅膜的绝缘体上硅平台上，单模输入波导和多模干涉波导结构之间的导模本征态匹配，验证了1×3数字式光开关功能。实验中，器件结构引起的光损耗为0.3 dB，开关功率为130~150 mW，开关时间约为50 μs，相邻输出端之间隔离度为15 dB。与马赫-曾德尔干涉仪型的2×2热光开关和等离子体效应热光开关的最新结果进行比较证明了该数字式热光开关的先进性。

在玻璃衬底生长金属铝作为不透明阳极，制备了结构为Al（100 nm）/TAPC（x nm）/TCTA（10 nm）/TCTA：Ir（ppy）₃（10%， 25 nm）/TPBi（30 nm）/LiF（2 nm）/Al（1 nm）/Ag（20 nm） /Alq₃ （y nm）作为顶发射的有机发光器件，其中x为30、130、160、170和180，y为20、40、60和80，研究了器件的二阶腔长及出光耦合性能。实验表明，通过改变空穴传输层的厚度，使器件微腔长度处于第二阶微腔效应增强区，可以提高器件的光电性能。同时当光输出耦合层厚度发生改变时，半透明阴极的光线穿透率与反射率发生改变，从而有效改善器件的光电性能。当微腔长度为230 nm、光输出耦合厚度为80 nm时，器件具有最佳的光电性能，并且光谱的角度稳定性强。器件最大亮度、电流效率和功率效率分别达到25 960 cd/m²、19.1 cd/A和16.01 lm/W。

理论计算和数值模拟了一维周期性复式光子晶格中光的分叉无衍射传输现象。当晶格满足退化的SSH模型时，波矢为±π的入射光将分裂为两束完全相同的对称无衍射光，且分叉夹角可通过耦合系数J来调节；在此基础上，通过微扰波导作用引入了调制相位?，当微扰满足宇称时间对称时，只要入射光波矢k与调制相位?之和为±π便能实现任意入射光波的无衍射分叉传输。进一步研究表明，次近邻耦合作用可以调控两个无衍射分叉光束的传输角度及其分功比。本研究为光学开关及未来全光路的设计提供了理论指导。

采用对比测量方法研究了微通道板结构参数，即开口比、板厚、电极深度、离子阻挡膜、输入增强膜对其噪声因子的影响。结果表明，开口比增大，噪声因子减小；板厚增加，噪声因子增加；输入电极深度增加，噪声因子增加；离子阻挡膜会增加噪声因子；输入增强膜会降低噪声因子。其中，离子阻挡膜对噪声因子的影响最大，板厚对噪声因子的影响最小。微通道板的结构参数不仅对噪声因子产生影响，而且对其他参数，如增益、均匀性等性能均会产生影响。要降低微通道板噪声因子，比较可行的方法是将微通道板的开口比提高到68 %，在此基础上，再在微通道板的输入端制作一层高二次电子发射系数的MgO₂输入增强膜，使微通道板的噪声因子接近1，从而达到理想微通道板的水平。

设计了一种具有高空间分辨率、高时间分辨率和大工作面积的同步扫描条纹管. 建立三维模型，系统地分析了物理时间分辨率与加速电压、空间分辨率与偏转系统-光电阴极的距离、动态空间分辨率和时间分辨率与扫描速度的关系.给出最优化结构参数和电气参数：d_DC=100 mm， U_g=700 V， T_screen= 0.5 ns. 数值模拟结果表明，在光电阴极有效工作面积18 mm×2 mm范围内，静态和动态空间分辨率分别高于25 lp/mm @ MTF=10%和16 lp/mm @ MTF=10%. 在T_screen=0.5 ns时，同步条纹管的时间分辨率优于5.6 ps. 此外，实验测试得到在400 nm波长处，光电阴极的辐射灵敏度为51 mA/W， 光电阴极有效面积内的静态空间分辨率高于25 lp/mm @ CTF=13%.

基于透明导电材料氧化铟锡（ITO）、高透光的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET），设计并实现了光学透明超宽带雷达与红外兼容隐身的复合超表面。该结构由两个专门设计的光学透明超表面组成，由内到外依次为雷达吸波层、红外低发射层。通过调节谐振器尺寸和ITO的方阻实现了微波段8.0~32.0 GHz频带内吸收率高于90%的宽带吸波。利用高ITO占空比的容性频率选择表面，实现了微波段高透过率与红外波段低发射率，并进一步研究了其红外辐射特性。该结构具备较好的超宽频雷达吸波性能、低红外发射率与光学透明特性。

用高温固相法制备了（Gd_xM_yLu_0.99-x-y）₃Al₅O₁₂：1%Ce³⁺ （x=0，0.01，0.25，0.5，0.75，y=0，0.005，0.01，0.02，0.05，0.1，M=Li⁺，Na⁺，K⁺，Cs⁺）系列陶瓷粉体。X射线衍射仪对合成粉末微结构进行表征，FLS920光谱仪测量样品的激发光谱、发射光谱和荧光寿命，CIE色度系统分析合成材料的色坐标。X射线衍射仪结果显示，不同浓度碱金属离子、Gd³⁺、Ce³⁺共掺杂Lu₃Al₅O₁₂样品仍为立方晶相，但随着碱金属离子、Gd³⁺、Ce³⁺掺杂浓度的增加，合成样品衍射峰稍有向小角度偏移。在350 nm激发下，与Lu_2.97Al₅O₁₂：1%Ce³⁺样品相比，共掺杂Gd³⁺后的样品在511 nm附近发射强度降低且出现明显红移，随着Gd³⁺浓度增加，Ce³⁺能级寿命逐渐减小，范围为35 ~ 60 ns。与掺杂1%Ce³⁺ ， 1%Gd³⁺样品比较，分别共掺杂2%的Li⁺、Na⁺、K⁺和1%的Cs⁺后样品发光强度提高了5.1倍，2.93倍，1.79倍，1.28倍，同时样品中Ce³⁺寿命继续减小。分别在λ=254.0 nm和λ=365.0 nm紫外灯照射下，随着Gd³⁺掺杂浓度的增加，观察到合成样品从深黄绿色变化为暗红色，色坐标显示样品发光由黄绿光区逐渐移动到红光区域，且共掺杂碱金属离子后，粉体的发光更亮。

为了克服相机检校对二维/三维检校场的依赖，提出一种基于激光点云多条件约束的相机检校方法。该方法通过对相机获取的多视影像进行光束法平差获得初始相机参数；利用影像点云与其最邻近的激光点云之间的位置关系，以共线方程为基础模型，建立多条件约束的相机检校数学模型；使用不等式约束的最小二乘方法平差迭代解算相机参数。将本文方法与基于三维控制场的检校精度进行了实验对比分析，结果表明本文方法与基于三维控制场的检校精度相当，两者反投影平均误差相差小于0.1 pixel，验证了本文方法在没有传统检校场的情况下进行相机检校的可行性。

为了实现折反射全景相机实时定位，提出了基于特征点法的可以用于折反射全景相机的视觉里程计算法。对折反射全景相机的投影模型重新设计了初始化模块，用于全景相机位姿的初始化。在初始化模块中，提出了适用于折反射全景相机的球面对极几何，通过球面对极几何计算初始化过程中两帧图像间位姿变化关系。为了验证算法鲁棒性和精确度，在相同场景下，将本文算法与使用针孔相机的特征点法的视觉里程计算法进行对比。结果表明，使用折反射全景相机的情况下，室外场景和室内场景下视觉里程计精度分别比针孔相机算法提升了38%和50%。

提出针对线性渐变滤光片型近红外光谱组件的时空域性能改善方法，并通过研制微型化512×2元InGaAs光谱组件，结合多帧数据融合算法完成了实验验证。光谱通道采用基于多次测量的两列相邻光敏元动态组合实现，相比单个大光敏元作为光谱通道，可以改善探测器盲元引起的不良影响。波长标定和测试结果表明，该光谱组件在线性渐变滤光片的分辨率限制下，可以有效减小相邻光谱通道间的波长间隔。

设计了一套基于红外热辐射光源的光声光谱多组分气体分析仪。通过分析多组分气体间交叉干扰的主要因素以及特征气体的红外吸收谱线，确定了中红外带通滤光片的参数。利用标准气体对设计的光声光谱仪进行标定，研究了待测气体之间交叉干扰的定量关系，并利用湿度发生器对装置受到水气干扰情况进行分析。实验结果表明，C₂H₂对CH₄、CH₄对C₂H₆的干扰水平分别达到10.49 μV/（μL/L）、18.66 μV/（μL/L），其他烃类气体间的干扰可以忽略。CO₂对CO、CH₄、C₂H₂和C₂H₄干扰响应度分别为1.615 μV/（μL/L）、0.055 μV/（μL/L）、0.130 μV/（μL/L）以及0.016 μV/（μL/L）。此外，水气对C₂H₂、CH₄、C₂H₆、C₂H₄、CO和CO₂都会产生一定的干扰，干扰的响应度分别为0.591 μV/（μL/L）、0.421 μV/（μL/L）、0.071 μV/（μL/L）、0.007 μV/（μL/L）、0.051 μV/（μL/L）和0.055 μV/（μL/L）。实验结果表明C₂H₂对CH₄、CH₄对C₂H₆、CO₂对CO以及高浓度水气对其他气体的检测会产生较高水平的干扰，在测量过程中应当考虑扣除。

基于微小卫星平台对高分辨相机的重量约束，以高分微纳卫星CX6-02数字超分辨相机研制为例，提出一种基于低体分SiC/Al主镜框的空间相机主支撑的结构形式，并开展主镜框一体拓扑优化设计分析和试验验证。Zernike多项式计算及光机热集成仿真结果验证了低体分SiC/Al主镜框作为空间相机主支撑结构的有效性。热光试验数据及在轨成像结果表明，兼具主支撑功能的低体分SiC/Al主镜框的空间相机试验数据与仿真数据基本吻合，且性能稳定，可为未来采用低体分SiC/Al主镜框作为主支撑的航天相机轻量化设计和研制提供理论与技术参考。

光学元件的准直失调会引起天文望远镜在观测过程中的像质退化，该问题在大口径快焦比的天文光学系统中更为突出。针对此问题，本文提出一种用于望远镜日常观测过程中的主动准直方法，通过星像解算实时校正副镜位置及姿态达到维持望远镜像质的目的。该方法基于多视场星点椭圆率，利用粒子群优化算法迭代求解望远镜光学元件失调量，从而校正由光学元件失调引起的低阶像差。利用1.6 m多通道测光巡天望远镜光学系统进行模拟仿真，求解副镜失调量残余误差小于1%，在系统设计公差范围以内。利用南极巡天望远镜AST3-3模拟及实验验证，表明该方法可高精度求解望远镜光学元件的失调误差。

针对双模态红外图像实际融合需求中常涉及到异类差异特征协同优化融合，且现有差异特征属性无法针对性地调整融合算法进行有效驱动，导致融合效果差等问题，提出了基于可能性分布联合落影的双模态红外图像融合算法选取的方法。首先计算双模态红外图像差异特征幅值的融合有效度，利用K最近邻法得到差异特征幅值的概率密度分布，得到差异特征频次属性的分布；然后通过差异特征幅值属性与频次属性构造差异特征权重函数，建立异类差异特征权重函数与多融合算法间的可能性分布合成，得到异类差异特征权重函数多融合算法融合有效度的联合落影；最后构建融合性能指标动态选取最优融合算法。实验结果表明，本文方法所选出的最优融合算法在等级得分指标上明显优于其他算法，验证了本文将可能性分布联合落影运用于双模态红外图像最优融合算法选取中具有可行性。

针对传统局部特征提取算法难以确定邻域参数，以及仅考虑数据间的单一结构而漏掉重要信息的问题，提出一种基于稀疏表示和学习图正则的局部判别与全局稀疏保持投影算法。该算法首先对稀疏表示模型施加基于学习的图正则器，用该改进的稀疏表示模型自适应揭示样本数据间的局部线性结构，通过局部判别模型全局集成算法来提取局部线性结构中的判别信息；利用基于学习图正则稀疏表示模型构建的新型稀疏图来揭示数据间的全局稀疏结构；使得数据的局部判别结构和全局稀疏结构在低维特征空间得以保持。通过1-近邻和支持向量机分类器对实验结果进行评估，在PaviaU和Indian Pines两个高光谱公共数据集上的实验显示，提出的局部判别与全局稀疏保持投影算法较对比算法取得了最好的性能，由于提取了全局和局部的判别信息，有效提升了高光谱图像的地物分类精度。

针对高光谱影像数据维度高、空间和光谱信息利用不足以及局部结构特征表达有限等问题，提出了一种基于3D卷积自编解码器和低秩表示的高光谱异常检测算法。首先，通过3D卷积自编解码器提取高光谱影像的空谱特征，并针对高光谱图像的局部区域强相关性，设计了一种新的损失函数来约束中心像素和周围像素，以提取判别性较强的特征图；然后，针对所提取的特征图，通过基于密度的空间聚类算法构建背景字典，并利用低秩表示分离出异常区域；最后，融合由3D卷积自编解码器得到的重构误差和异常区域检测结果，得到最终检测图并为异常目标关键信息的挖掘提供依据。为了验证所提算法的有效性，在两个真实的机场高光谱数据集上进行飞机等目标检测实验，ROC、AUC量化指标和主观分析等实验结果表明，与其它6种异常检测算法相比，本文算法具有更高的异常目标检测精度。