针对传统大视场离轴反射式光学系统的初始结构只对轴上像差求解、轴外像质差、大视场像质优化困难的问题，建立了结合矢量像差和赛德尔像差的联合像差初始结构求解方法，利用一种全局的模拟退火算法实现了大视场离轴反射系统初始结构的自动求解，直接得到轴上和轴外视场像质优良的大视场离轴三反系统“正-负-正”初始结构。基于此初始结构设计了一款紧凑型大视场30°×3°自由曲面光学系统，其焦距为500 mm，F数为5。该光学系统的成像质量好，无偏心倾斜，易于装调，对大幅宽推扫成像空间光学相机设计具有借鉴意义。

在闭环控制回路中引入限幅型加速度惯量反馈和扩张状态观测器复合的优化算法,保证机载激光通信平台对瞬态阶跃响应的稳定性,优化了平台对环路各阶扰动的抑制能力。从系统扰动响应的角度对常规加速度惯量反馈算法进行阐述,分析了该算法的输入输出(I/O)特性和扰动抑制能力,并指出它在实际应用中存在的问题。逐一地引入限幅算法、降阶扩张状态观测器对常规加速度惯量算法进行分步改进,给出改进过程中的性能分析和特性分析。搭建仿真模型和物理实验对所提优化算法进行验证。实验结果表明:当平台以70 (°)/s的速度阶跃时,改进后的控制环路的阶跃超调量幅值约为比例-积分-微分(PID)控制环路的50%;当平台进行5 (°)/Hz的空间扰动隔离时,与PID控制环路相比,改进后的平台对信标光的动态稳定精度从198 μrad[均方根(RMS)统计方式]提升至14.28 μrad(RMS),控制环路的动态扰动隔离度有11.42 dB的优化表现。

无衍射光学晶格主要采用函数传递的方式进行数值计算分析,数学模型抽象,程序构建复杂,难以灵活地分析不同光学元件及其缺陷和光路结构对光学晶格物理形成过程的影响。从光路仿真角度出发,提出了一种无衍射光学晶格的分析方法,实现了基础方晶格、最大对称组合基础方晶格、一级稀疏方晶格等典型光学晶格结构的仿真,并验证了光束的无衍射性,说明了该方法的可行性。将该方法应用于光路结构和光学元件特性与光学晶格结构之间的关联分析,有助于探索无衍射二维光学晶格的形成与调控方法,以及潜在应用效果的评估。

为了将声光移频器(AOFS)应用至光锁相环路中实现锁相环路快速精密调谐, 并保证相干接收机接收信号的质量, 介绍了AOFS的移频原理以及在锁相环路中的动态工作模式, 对AOFS的插入损耗特性进行了系统的研究, 着重分析了AOFS驱动器功率变化以及移频过程中频率变化对插入损耗的影响。设计并搭建了基于光拍频方法的1550 nm AOFS插入损耗测量实验系统, 测试得出AOFS在各种外界调制信号影响下插入损耗的变化规律, 分析了多种影响因素共同作用下插入损耗的整体动态变化趋势并进行实验验证。根据实验分析结果对AOFS驱动功率进行优化, 结果表明, 将驱动器功率设置为1 W, 相比于25 mW驱动功率, AOFS插入损耗值在移频范围内整体下降15 dB, 最大相对插入损耗值下降1 dB。

针对地球同步中继卫星对地激光通信，设计了一种包含多重闭合回路的伺服跟踪系统，分析了跟踪算法的数学模型以及用于光斑脱靶量补偿的带执行器限位比例积分微分控制算法，介绍了星地链路激光通信跟踪系统中伺服闭环控制系统的组成、各执行模块的性能指标和工作模式，给出了伺服闭环系统和光闭环系统的工作原理。根据所设计的脱靶量提取算法和误差补偿算法,分别在图像处理模块和下位机执行模块中编写了光闭环跟踪程序。对整个系统进行静、动态环境下微弱信标光的跟踪实验测试，最终获得动态环境下±20 μrad(3σ，σ为标准差)、静态环境下±7.5 μrad(3σ)的跟踪精度，实验结果验证了所设计跟踪回路的可行性及良好的操作性，结果表明该跟踪系统具有较高的跟踪精度。