针对复杂环境下远距离点目标弱目标探测的需求，设计了红外双波段双视场成像告警系统。为提高其目标探测能力以及环境适应能力，该系统采用高阶非球面，减少系统镜片数量，提高系统 透过率，同时校正轴上、轴外像差及高级像差，提高系统成像质量；采用光学被动消热差方式，实现了光学系统-40～60 ℃的无热化设计。采用旋转电磁铁为驱动元件，实现了80 ms大/小视场切换 速度以确保目标在视场切换过程中不丢失。采用电限位、机械限位以及磁力锁紧机构作为限位组件，实现了大/小视场切换后光轴晃动小于两个像素的稳定精度。设计结果表明，该红外成像告警系 统光机结构设计合理、结构紧凑、成像质量好，满足目标探测要求，在红外成像告警领域具有较好的应用前景。

针对目前对地目标定位算法在大倾角远距离航空成像应用时定位误差较大的问题，提出了一种修正系统误差定位方法。对大倾角远距离航空成像系统的系统误差进行分析与建模，给出了包含系统误差修正模型的对地目标定位算法，并针对残余误差的获取问题，进一步提出了一种依据地面控制点估计残留误差参数的方法。仿真结果表明，依据地面控制点估计残留误差参数，可将残留误 差降为1/10。飞行试验数据验证，在进行大倾角远距离航空成像目标定位时，通过修正系统误差可将定位误差平均值从401 m缩小到97 m。修正系统误差定位方法可以有效提高在大倾角远距离航空 成像应用时对地目标定位的准确度。

为解决航空遥感相机检焦系统故障分析、元器件选型及提高检焦精度的问题，本文深入研究了基于Ronchi光栅的光电自准直检焦法。首先，归纳总结了国内外航空相机常用的几种检焦方法， 对比了每种检焦方法的优缺点。接着，重点介绍了基于Ronchi光栅的光电自准直检焦系统的构成和工作原理，建立了数学模型，模拟了检焦系统在不同像面位置处的输出波形。然后，为衡量离焦程 度，提出了离焦评价因子的概念，接着分析了光学系统的衍射效应和像差大小、Ronchi光栅的周期选择及检焦光源的能量分布这三种因素对检焦精度的影响，给出了Ronchi光栅周期的选择方法。最 后，通过实验的方法对本文的仿真结果加以验证。实验结果表明：合焦波形的峰峰值占比0.82，对应0.05 mm步长下的平均检焦分辨力约为10%。

随着光学测量与遥感领域的不断发展, 折反式光学系统对重量、体积和环境适应性等需求不断提高。基于增材制造技术的金属反射镜以其便于实现优化设计、快速制造和加工工艺性好等优点, 逐渐获得国内外学者的关注与研究。与传统金属反射镜相比, 增材制造金属反射镜可以提高反射镜的结构刚度, 同时可实现更高程度的轻量化。增材制造反射镜可以满足光学系统对环境适应性和快速性的需求。本文首先讨论了金属反射镜的评价指标; 其次, 综述了国内外在基于增材制造技术制备金属反射镜领域的发展现状和技术参数, 从增材制造金属反射镜的基体设计与制备和基体的后处理2个方面展开论述; 然后, 通过分析, 总结了增材制造金属反射镜的技术路线和关键技术; 最后, 对增材制造反射镜的应用前景提出了展望。

针对传统检焦法复杂度高、稳定性差等问题,提出一种基于图像处理的自准直检焦方法。通过自准直法与图像处理相结合的方法来提高检焦系统的适应性与检焦精度;利用系统离焦距离增大引起成像分辨率降低特性,设计空间频率连续变化的辐射状靶标,避免靶标在系统离焦后对比度变化小的问题。仿真实验选用清晰度评价函数算子计算不同靶标离焦序列图的特征值曲线,结果表明辐射状靶标特征值曲线的灵敏度、无偏性、单峰性均优于Lena图和光栅靶标,且本文检焦法比传统自准直检焦法的检焦精度提高了约19.6%,满足光学系统对离焦量允许值的要求。

针对精密测角算法标定线阵相机内方位元素时仅标定一维方向的主点坐标及畸变, 导致该标定算法适应性及精度受限的问题, 提出了一种线阵相机二维高精度内方位标定方法。首先, 分析了线阵相机内方位元素模型, 然后, 针对该模型提出了一种基于二维转台的二维标定方法, 并给出了详细的标定步骤及数据处理方法, 最后, 将本文提出方法的标定结果与精密测角算法的标定结果进行了对比, 结果表明, 本文提出的标定方法的重投影误差为0.34 pixel, 相比于精密测角算法的1.25 pixel, 显著提高了标定精度, 且标定时不需要进行对准、调平等操作, 标定过程操作简单。

为了消除在实际飞行过程中温度变化对机载折反式光学系统成像质量的影响, 对该系统的光学元件、机械结构等部分进行热分析, 实现机载折反式光学系统的无热化设计。首先, 根据透镜的光焦度公式推导透镜的光焦度温度函数, 列出透镜组的消热差方程。接着, 在考虑支撑结构的影响时引入轴向放大率, 以此表现折反式系统部分元件间隔变化对系统焦距影响大的特点。最后, 结合前两者确定完整的消热差方程来指导无热化设计。仿真结果表明, 工作在486~656 nm波段, 焦距为1 850 mm的机载折反式可见光光学系统在0~40 ℃之间成像良好, 调制传递函数下降不到0.1。

针对大视场、高分辨率、低畸变和环境适应性要求高的三线阵航空测绘相机光学系统设计要求, 开展新型光学系统结构形式设计: 首先, 根据总体方案要求以及稳定平台安装特点, 确定了单镜头的技术方案; 接着, 分析计算了光学系统各项指标参数, 光学系统拉氏不变量达到9.5; 然后, 对比分析了非像方远心光路、像方远心光路和准像方远心光路的结构形式; 最后, 设计了一种航空环境适应性良好的双高斯复杂化失对称准像方远心光学系统结构形式。设计的光学系统成像质量好, 在全色谱段内的Nyquist频率为100 lp/mm, 全视场调制传递函数均优于0.36; 分别在R、G、B谱段的Nyquist频率为50 lp/mm, 全视场调制传递函数均优于0.6。光学系统全视场最大相对畸变优于0.1%, 在均匀温度0~40 ℃范围内, 全色谱段调制传递函数优于0.3。实验室鉴别率板测试结果表明, 相机静态分辨率达到102 lp/mm; 飞行验证试验结果表明, 相机摄影分辨率达到0.16 m@2 km航高。光学系统设计完全满足大视场三线阵航空测绘相机环境适应性和分辨率的要求。

为了设计适用于空间望远镜的具有质量轻、刚度高、高面形精度特点的大尺寸反射镜, 提出了基于水平集方法的反射镜拓扑优化设计方法。首先, 在口径1 m反射镜镜体初始结构模型的基础上建立有限元模型, 基于SIGFIT采用DRESP2建立面形RMS的目标响应函数, 将镜面面形精度直接作为目标函数, 在重量约束条件下, 基于变密度算法与水平集拓扑方法分别进行优化设计, 并基于OSSmooth功能对设计结果分离阈值进行研究。通过对优化模型分离阈值进行分析, 得到最优化的输出结构模型。采用水平集方法的拓扑优化设计方法的中间密度单元格数目远小于变密度方法, 输出结构边界连接性更好。优化模型面形RMS值小于λ/50(λ=632.8 nm), 满足设计指标。