图像脉冲噪声移除是获得高质量图像的关键。本文通过热红外相机成像原理研究，提出了一种基于像素梯度自适应迭代中值滤波器的图像脉冲噪声抑制算法。首先，根据相机的调制传递函数计算获取原始图像的最大像素梯度，继而建立相应的像素梯度集合。然后，计算原始图像与对应像素梯度滤波图像的梯度权重均方根误差集合，并将该集合高斯分布的最大值对应的像素梯度确定为最佳像素梯度。最后，根据图像中脉冲噪声的密度和复杂度，确定所提滤波器的自适应窗口大小和迭代次数。大量实验结果表明，所提滤波器对移除8位、16位的单通道脉冲噪声图像展现出良好的鲁棒性。与其它先进方法相比，该方法可以实时移除真实热红外相机采集图像中低密度的随机值脉冲噪声和SAPN，并实现噪声抑制过程中99.5%以上的原始像素不会遭受破坏。除此之外，针对高密度SAPN抑制，该方法获得了具有竞争力的结果，与运行时间较快的滤波方法相比表现出较好的PSNR和SSIM，与PSNR和SSIM较优秀的去噪方法相比表现出较快的运行时间。对于极限SAPN（99%）破坏的图像，也能够恢复有意义的图像细节。

可见/红外超宽光谱分色片是星载中分辨率光谱成像仪III 型光学系统中的重要光学薄膜器件。利用诱导透射原理，采用金属-介质膜系结构加非对称等效导纳匹配层，实现了45°入射时0.4~1.05 μm光谱高效透射，1.35~13 μm波段光谱高效反射，从而将入射光束分配到不同的光路。同时通过消偏振控制设计，获得了可见近红外波段低偏振灵敏度（LPS）。所研制的分色片可见近红外波段平均透射率大于85%，LPS小于4%；短波及长波红外波段平均反射率大于90%。

星载激光雷达作为一种新型的主动遥感技术，为全球海洋昼夜以及极地冬季海水二氧化碳分压的研究提供了可能。研究通过使用云-气溶胶激光雷达与红外探路者卫星（CALIPSO）数据，对全球海表面叶绿素a（Chla）浓度进行了反演，并构建了基于激光数据的前向神经网络模型（FNN-LID），重构了北冰洋海水二氧化碳分压（pCO₂）昼/夜长时序数据集。在此基础上，对基于主动遥感的极地海水Chla浓度和海水pCO₂数据进行了验证与分析。结果显示，基于该算法的反演产品，具有较高的数据质量，不论是和其他被动遥感的产品还是独立浮标观测数据集都有较好的一致性，且能够有效“填充”极地冬季的数据空白。在北冰洋海区，受陆源强烈影响的边缘海都表现为较高的海表Chla浓度。北冰洋海水pCO₂的空间格局表现出经向的差异，且pCO₂的季节变化十分剧烈，甚至超过80 μatm。近20年来，北冰洋稳定地表现为大气二氧化碳的汇，而在东西伯利亚海和喀拉海等海冰显著衰退的地区，海面pCO₂的增长率非常显著。

星载单光子激光雷达以超高灵敏度和超高重频的优势，在海洋探测领域展现了广泛的应用前景。雷达系统中的单光子探测器件具有极高的灵敏度，可以探测光子量级的回波信号，同时也极易受太阳背景光噪声影响。由于背景噪声直接影响激光雷达的工作性能，还会对星上原始的数据量产生影响，在卫星系统设计阶段，对噪声强度的准确估计至关重要。本文综合考虑大气后向散射、水面反射及水体后向散射的贡献，建立了一个星载单光子激光雷达海洋噪声的估计模型。以全球首个对地观测星载激光雷达ATLAS为例，在输入系统参数和环境参数后，模型估计的噪声与ATLAS实测噪声误差在15%以内，证实了该噪声模型的正确性。

作为可见光-近红外和热红外的连接谱段，中红外（MIR）兼具短波辐射的反射特性和长波辐射的发射特性，对于温度探测、目标识别等应用场景有十分重要的意义。目前，MIR谱段辐射传输（RT）计算仍然面临背景参数输入多且不易获取的问题。基于此，提出了一种应用于卫星MIR遥感的RT简化计算方案。使用MODTRAN模型（MM），对MIR白天RT过程中所涉及的背景地表和大气参数定量模拟分析，得到影响RT的关键参数，据此形成一套基于MM的参数简化方案（SS）。在MODIS 6个MIR通道的中心波长处，对SS和MM计算的总辐亮度做对比验证，RMSE均小于0.004399，具有较高精度。SS仅依赖于表面温度、表面发射率、大气廓线类型、水汽和云光学厚度，不需要输入气溶胶、CO₂和O₃数据。相比MM，SS将输入参数从8类降低到5类，计算的时间效率提升了9.02%。在有限的计算资源下，本文所提的SS能够为MIR图像快速处理、大场景遥感仿真等应用领域提供支撑。

超表面概念的提出为研究平面化和超薄的光学元器件提供了一种全新的设计思路。传统的几何相位型的超表面透镜受制于偏振锁定的限制，阻碍了其实现多功能的复用。文章提出了一种通过几何相位实现超表面透镜偏振解耦的方法。进一步，利用该方法作者实现了超表面聚焦透镜在纵向以及纵向和横向实现多通道功能（如聚焦光斑和聚焦涡旋）的复用和偏振可切换特性。相关研究为实现多功能可集成的平面化器件提供了新的研究思路。

构建和描述了一种用于获取硅片厚度的零差检测系统。利用4.3-THz激光束的传输相变与机械旋转台控制的入射角之间的关系，可以使用标准残差法精确推导被测样品的厚度值。结果表明，样品的厚度拟合值与光学显微镜的精确测量结果仅相差2.5~3 μm，实现了微米级精度的太赫兹无损厚度测量。实验验证了太赫兹量子级联激光器在非接触无损测量中的有效性。

目前对中药片剂的孔隙测量，一般采用的是具有破坏性的密度测量方法，缺乏无损量化方法。太赫兹辐射能用于无损的提取药物若干光学信息。针对直压型中药片剂，通过太赫兹时域和频域信号处理等不同方法分别计算各种片剂的有效折射率，发现两种方法得到的有效折射率和片剂的孔隙率均呈良好的线性关系。根据有效折射率特性，利用四种有效介质模型提取了中药片剂的孔隙率并进行量化回归，通过交叉验证与相对分析误差（RPD）发现通过时域信号处理的有效折射率得到的孔隙率回归模型解释性与验证准确性更高，其中最佳模型是Bruggeman模型（RPD=11.3325）。为中药多孔粉体制剂工艺优化提供支持。

零差混频系统（Homodyne mixing system）对太赫兹超导动态电感探测器（Kinetic inductance detectors，KIDs）性能表征具有重要的作用。然而，零差混频系统仍存在混频器不平衡性、测量系统集成、干扰信号等问题。作者设计新型的单通道零差混频硬件系统，结合软件算法实现了测量系统的集成化、IQ混频器不平衡性校准、KID的性能表征；同时实现了在VNA（vector network analyzer）CW模式下的KIDs噪声测量；以及基于自相关算法的双通道零差混频硬件电路设计，有效的抑制了干扰信号。值得注意的是，这些研究成果被应用于表征KIDs 性能，对KIDs阵列设计起到了重要的作用。

本文设计并制作了f_T > 400 GHz的In_0.53Ga_0.47As/In_0.52Al_0.48As 铟磷高电子迁移率晶体管（InP HEMT）。采用窄栅槽技术优化了寄生电阻。器件栅长为54.4 nm，栅宽为2 × 50 μm。最大漏极电流I_DS.max为957 mA/mm，最大跨导g_m.max为1265 mS/mm。即使在相对较小的V_DS = 0.7 V下，电流增益截止频率f_T达到了441 GHz，最大振荡频率f_max达到了299 GHz。该器件可应用于太赫兹单片集成放大器和其他电路中。