为了实现对快速运动目标高精度跟踪, 对光电跟踪系统中的自抗扰控制技术进行了研究。根据速度闭环传递函数, 利用三阶非线性扩张观测器估计系统状态变量, 实现对不确定性因素的补偿, 通过改变位置环被控对象传递函数提高系统的跟踪精度。对系统进行仿真与实验研究, 分析自抗扰控制对光电跟踪系统动态和稳态性能的影响, 与PI控制相对比, 结果表明: 对于高速运动目标, 利用自抗扰控制技术可以将系统的跟踪精度提高7倍左右; 对于低速运动目标, 由于摩擦和系统噪声的影响, 系统的跟踪精度仅提高了4倍左右。若在控制回路中引入相位超前环节, 可以将系统的超调量降低40%, 进一步改善了系统的动态性能, 该技术的实现对于高精度跟踪控制的研究具有重要的应用价值。

为了有效补偿压电陶瓷的迟滞非线性, 提出了基于STOP算子的改进PI模型以改善传统基于PLAY算子的PI模型解析求逆的复杂过程以及通过插值算法求逆的大量耗时。介绍了传统的基于PLAY算子和基于STOP算子的PI模型, 然后基于STOP算子的叠加形式建立了以预期位移为输入, 以控制电压为输出的PI模型, 并将这一模型直接作为前馈控制器补偿压电陶瓷的迟滞效应。为了更好地平衡全局寻优与局部寻优能力, 对粒子群优化算法进行了改进, 利用其辨识出各算子的权值。最后, 利用实验的方法验证了改进的PI模型对迟滞非线性的补偿效果。进行了两组实验测试, 结果显示: 无论对于规律变化还是随机变化的输入, 提出的改进PI模型都可以很好补偿迟滞非线性, 跟踪误差可控制在1%以内。因此, 基于STOP算子的改进PI模型在压电陶瓷控制领域中具有很好的实用价值。

为了增加压电陶瓷驱动快速反射镜的偏摆范围, 对菱形微位移放大机构进行了研究设计。首先介绍了菱形结构的放大原理并利用变形能法分析了影响菱形结构性能的关键参数, 然后建立了快速反射镜系统要求与菱形结构设计要求之间的联系, 并根据自行设计的快速反射镜系统选择了菱形结构的关键参数, 最后通过有限元仿真对菱形结构和快速反射镜系统进行了模态分析并对快速反射镜的偏摆范围进行了实验测试。仿真与实验结果表明, 快速反射镜的偏摆范围大于 6′, 低阶谐振频率约为400 Hz, 满足了快速反射镜的系统要求。文中研究得出, 菱形结构的位移放大倍率与最大驱动力是此消彼长的两个性能, 可以通过合理调整菱形长轴与菱形边夹角以及菱形边宽度使两个性能同时满足系统设计要求。

以天基监视为背景，依据几何学原理和矢量计算工具，主要研究了双星相对运动模型。一方面，突破力学求解方式，采用一种区别于传统轨道根数的卫星轨道生成规则，可清晰直观地描述卫星轨道；另一方面，结合光电跟踪系统，研究了双星运动过程中的相对方向变化。通过对异面太阳同步圆轨和共面地球同步圆轨双星相对运动模型的仿真计算，获得了卫星轨道、相对距离、方位角、俯仰角、方位角速率、俯仰角速率的变化结果，分析结果证明了此方法的合理性，可为天基监视中的工作区域选择、卫星轨道设计、监视系统设计和捕获跟踪瞄准控制系统设计等物理问题和关键技术提供定性和半定量参考。

为了满足高光束质量要求，校正激光束在传输过程中产生的波前畸变，改善激光位相分布，进而提高聚焦光斑的能量集中度，基于79单元微机械薄膜变形镜（MMDM）搭建了一套激光束整形实验系统。利用随机并行梯度下降（SPGD）算法，分别选择聚焦光斑半径、形心为中心的环围能量比和质心为中心的环围能量比作为算法性能指标，开展了激光束整形实验研究。3种情况下，分别经过58次、197次、133次迭代趋于收敛，但光斑半径作为性能指标时振荡严重；环围能量比从整形前的0200 5、0127 7、0200 5分别增加到整形后的0669 9、0733 9、0864 0。实验结果表明：MMDM用于激光束整形具有良好的效果，光斑半径作为性能指标整形速度最快，其次为质心环围能量比，形心环围能量比最慢；质心环围能量比作为性能指标整形效果最好，其次为形心环围能量比，光斑半径最差。综合比较，质心环围能量比作为性能指标时综合效果最好。

为了对振动图像进行稳像处理及相机平台稳定装置的设计提供理论依据，研究了视轴抖动对成像质量的影响。分析了视轴抖动的原因及特点，在此基础上，提出了按图像灰度算法分析振动模糊图像的方法。利用仿真模型获得了视轴抖动情况下，不同抖动参数所对应的模糊图像的仿真图。搭建了一套振动成像实验装置，在实验中加载不同的振动源，可以得到不同振源下的模糊图像。利用图像的灰度均方误差评价成像质量，结果表明：在误差允许范围内，不论是在实验条件下，还是在仿真条件下，视轴抖动对成像质量影响的结果基本一致，从而验证了仿真算法的正确性。在实际应用中，可以通过仿真来分析视轴抖动对成像质量的影响。

由于最小节拍组合控制系统对位置阶跃信号响应快、超调小、稳态误差小，有利于光电跟踪系统快速捕获目标，本文针对特定的光电跟踪架设计了最小节拍组合控制系统，并对其进行了仿真测试和实验测试。实验显示，仿真结果和实验结果基本吻合，不仅表明最小节拍组合控制系统在所能跟踪的信号范围内线性度好，还验证了校正环节和前置滤波器所起的作用。提出的方法降低了超调量，减少了调节时间，抑制了系统的抖动，体现了最小节拍组合控制系统的特点。这种最小节拍组合控制系统在数引方式下能快速捕获和锁定目标，具有重要工程应用价值。

为了满足激光诱导等离子体(LPP)体制下极紫外(EUV)光源对CO2激光器提出的稳定性需求, 建立了简化的CO2激光传输系统模型, 根据光束稳定性需求对光束功率、指向和位置的监测与控制方法进行了理论和实验研究。根据高功率CO2激光传输系统特点, 在实验室内建立了上述光束监测和控制实验系统, 包括光束功率控制模块、光束指向控制模块和光束参数监测模块, 其中光束参数监测模块可实时测量光束功率、指向、尺寸及发散角等重要参数。仿真与实验结果表明: 光束功率控制模块对线偏振激光功率的控制接近1%~100%, 光束指向控制模块实现的光束指向稳定度在10 μrad以内, 可满足CO2激光驱动源的高稳定性要求。