基于红外标准星和内部黑体标定源的联合辐射定标法可提高空间目标的红外辐射测量精度。黑体标定源位于红外辐射测量系统内部,用于定标光学系统响应率。依据大气消光模型,采用天文孔径测光法,通过观测不同仰角处的多颗具有较高光谱分辨率的红外标准星得到大气消光和系统透过率系数。700 mm口径地基中波红外辐射测量系统验证性实验的结果表明,在恒星图像曝光充分的情况下,联合辐射定标法的恒星辐照度反演误差优于11%。联合辐射定标法操作简单、成本低,可随时对测量设备进行现场标校。

为研究大气湍流对空间目标偏振成像探测准确度的影响，构建了大气湍流影响下的偏振成像探测模型，并对大气湍流导致的空间目标偏振度探测偏差进行仿真分析.通过对分时和同时偏振成像方式进行仿真，发现大气湍流会对空间目标偏振成像探测准确度造成明显影响，且对分时偏振成像探测准确度的影响明显大于同时偏振成像方式.通过自适应系统校正部分低阶像差，能明显减小大气湍流对偏振成像探测准确度的影响.为了兼顾图像信噪比和大气湍流影响下的偏振成像探测准确度，给出了一种结合分时和同时成像方式的改进偏振成像探测方式，大气湍流对其的影响略大于同时偏振成像方式，但该方式图像信噪比明显优于同时偏振成像方法.另外仿真分析发现，采用多帧图像叠加能效减小大气湍流带来的空间目标偏振成像探测偏差，在使用分时偏振成像方式时效果尤为明显.

为实现中波红外整层大气透过率的现场测量, 提高空间目标红外辐射特性测量精度, 研究了基于标准红外自然星的大气透过率测量方法。建立了基于Beer定律和Langley-Plot定标原理的测量实验数学模型, 搭建了基于1.2 m口径地基光电望远镜的测量实验系统。采用了“准实时单点校正”“窗口提取”和“信噪比特性曲线”等方法有效降低了红外探测器非均匀性和自然星弥散成像等问题给测量精度带来的影响。最后, 分析了测量实验的理论误差。实验数据显示: 空间目标大气层外红外辐射照度测量的最大实际误差为16.28%, 中波红外整层大气透过率测量的理论误差为1175%。结果表明: 基于标准红外自然星的大气透过率测量方法测量误差小, 实验系统对外场观测任务适应性强, 为空间目标红外辐射特性的地基测量提供了新的解决方案。

针对双组联动变焦距系统结构复杂的特点，对其设计过程进行了梳理。在此基础上编制了可视化辅助设计软件，该软件具有高斯解计算、变倍补偿曲线绘制、像差与外形尺寸分析、相对孔径图输出等功能。使用该软件可以方便地完成双组联动变焦系统高斯解的合理选择，并给出各组元承担相对孔径及其变化情况，辅助进行初始结构的确定。利用该辅助设计软件，对一套焦距25~500 mm 的20倍可见光波段双组联动连续变焦距系统进行了初始结构设计，并通过整体优化使系统像差得到校正。设计结果系统光学总长478 mm，各焦距位置在50 lp/mm 处轴上视场调制传递函数(MTF)大于0.6，边缘视场MTF大于0.4，各项指标满足系统要求。

为了提高空间目标的红外辐射测量准确度, 提出了基于精确校准的红外标准星的红外辐射标校方法.测量不同大气质量处多颗具有较高光谱分辨率的红外标准星, 采用天文孔径测光法对望远镜拍星数据进行处理, 依据大气消光模型进行最小二乘线性拟合, 获得了测量系统的红外辐射响应率和大气消光.1.2 m望远镜上中波红外成像终端验证性实验结果表明, 该方法的恒星辐照度反演误差最大为16.28%.且该方法无需增加额外设备, 操作简单, 易于实现, 可随时对测量设备进行实时标校.对地基大口径望远镜的红外辐射测量具有一定的应用价值.

基于地基大口径自适应望远镜构建成像偏振探测系统，可以同时获取空间目标的光强和偏振图像，将光强信息和偏振信息相结合，能为空间目标的探测和识别提供更多依据。现有的1.23 m自适应望远镜在设计时并未采用保偏设计，在开展观测研究前需得到光学系统的偏振传输特性。但目前难以直接对大口径望远镜进行偏振标定，为了分析1.23 m自适应望远镜光学系统的偏振传输特性，基于相干矩阵和光线追迹法建立了望远镜系统偏振传输特性分析模型。仿真得出了1.23 m自适应望远镜光学系统的偏振传输特性，发现光学系统会引入较大的偏振探测偏差。为减小偏振探测偏差，给出了一个可行的保偏改进方案，并通过已建立的模型验证了该方案的有效性。

在利用单幅影像的明暗恢复形状(Shape From Shading, SFS)三维重构算法的基础上, 提出同时考虑外界辐射源和目标自身红外辐射的IR-SFS(infrared-SFS)算法。首先通过分析SFS算法原理和空间目标的红外成像特性, 建立IR-SFS辐射方程并进行了仿真研究, 然后利用温度场估计获得红外差值图, 在人工合成的理想半球体、半圆柱体卫星红外影像上进行算法测试, 并以美国STS107真实红外影像作为实验目标进行三维重建。实验结果表明, 所提出IR-SFS算法经过参数优化后, 与原SFS算法相比, 重建模型的峰值信噪比更高, 对STS107顶部舱门、尾翼、机舱、机舱内方形部件具有更佳显示度, 整体效果得到明显改善。

建立了大气湍流模拟的时域模型，用于在自适应光学系统的测试中模拟大气湍流的时域变化。讨论了时域模型下随机相位屏平滑帧数和刷新频率与平均风速的关系。结果表明: 对表征随机波前的随机相位屏进行时域平滑可使随机波前的变化更符合大气湍流对入射波前连续平滑渐变的影响; 随机相位屏的平滑帧数仅与系统口径和大气相干长度相关，而与风速无关; 随机相位屏的刷新频率与平均风速成正比，平滑后的刷新频率还与平滑帧数成正比。最后，构造了一套大气湍流模拟装置，应用功率谱分析法对时域模型的有效性进行了验证。

对口径620 mm、厚18 mm的弯月形薄反射镜进行了面形误差的主动校正实验，通过浮动支撑方式保证了在校正过程中镜面空间位置不变。实验主镜的支撑结构由轴向36个主动支撑点和侧向6个被动支撑点组成，在轴向支撑点中对称选择中圈3个点作为虚拟硬点，通过调整其他促动器的支撑力保证虚拟硬点受力始终为零来实现浮动支撑。系统采用哈特曼波前传感器作为面形检测设备，采用最小二乘法计算校正力。实验中测出系统的像差校正能力，选择中低频的Zernike像差参与校正，并进行了不同俯仰角下面形的闭环与开环校正，实验结果表明通过浮动支撑方式有效地控制了校正过程中镜面的平移和倾斜。在不同俯仰角下通过闭环校正，均可将镜面面形误差均方根(RMS)的初始值(约0.6λ，λ=632.8 nm)校正到约λ/15，开环面形校正精度的RMS达到λ/10～λ/14。通过实验研究了俯仰角变化时的面形校正过程和校正力计算方法，并验证了采用浮动支撑方式控制镜面空间位置的可行性。

提出一种基于Monte Carlo法的光电跟踪测量系统的分析方法,使用坐标变换方法对光电经纬仪建立了包含照准差、横轴差、竖轴差、传感器误差和编码器误差准确的Verilog-A模型,使用最坏情况法和Monte Carlo法分析了各种误差源对系统性能的影响。并对双站交汇的布站进行了优化,在考虑经纬仪本身误差源和站点位置误差的情况下,使用Monte Carlo法计算了针对特定弹道轨迹的最优布站选择。该方法对光电跟踪测量系统设计具有一定的指导作用。