由于差分像运动监测法测量大气相干长度需要多帧统计, 本文应用波前结构函数法, 提出了一种大气相干长度的瞬时测量方法。该方法通过Shack-Hartmann波前探测器测量单帧短曝光畸变波前的Zernike系数;然后减去光学系统初始像差的Zernike系数, 去除倾斜项, 计算波前结构函数;最后,与满足Kolmogorov湍流理论的大气短曝光理论波前结构函数进行最小二乘拟合, 得到瞬时大气相干长度。利用湍流相位板构造了相应的测试系统, 并进行了外场实测对比。结果表明: 提出的基于波前结构函数法的测量结果与差分像运动监测法的测量结果基本吻合; 不同格林伍德频率下, 标准差与均值之比小于4.1%, 稳定性较好; 外场比对累计16个夜晚, 得到的平均偏差小于0.45 cm。该方法可以实现空间目标大气相干长度的单帧瞬时测量, 并可用于观测站点的视宁度、自适应光学系统内部大气湍流强度和地基大口径望远镜主镜视宁度的监测。

为了确定三视场定位定向设备各个误差源对定位定向误差的影响，建立了定位定向的误差分析模型。首先，给出了三视场导航设备采用空间解析几何法进行定位定向的原理。其次，指出影响定位定向的各个误差源,归纳分析了误差源的特性、概率分布以及误差源对定位定向信息对的影响。然后，利用定位定向原理建立起定位定向误差分析模型。最后，利用蒙特卡罗法进行误差仿真分析。仿真结果表明系统的定位均值误差为121.0 m；定向均值误差为7.4″，并指出定位定向主要的误差源是水平测量误差，其次是垂线偏差数据的误差。野外实验表明，该系统的定位均值误差为182.12 m；定向均值误差为9.3″，水平测倾角的误差对定位定向结果的影响最大。

为了评价地基大口径望远镜对空间目标自适应光学系统校正后的实际分辨率，提出了可分辨单元数比指标。结合123 m自适应光学望远镜的观测数据，对可分辨单元数比的物理意义、适用范围、误差影响因素以及大气弥散的影响进行了分析。结果表明: 可分辨单元数比能全面反映望远镜系统对空间目标自适应校正后的实际分辨率，且物理意义更直观; 适用于所有可获取波前特征的望远镜自适应校正后实际分辨率的评估; 其误差主要依赖于波前探测器的测量误差; 大气弥散对其影响可忽略。

设计了基于Camera Link标准的高帧频多通道图像采集显示系统, 可以对高帧频多通道相机进行图像采集及实时显示。依据系统功能需求设计了系统架构, 给出了系统各个功能模块的设计方法。完成了系统软件和硬件设计, 详细介绍了针对多通道相机图像的存储和读取方法, 及VGA显示模块的程序设计方法, 并进行了高帧频图像采集显示实验。实验表明, 对于帧频为2 000 帧/s、分辨率为80×80的图像源, 该系统可以对其进行实时的采集、处理和显示, 并获得了较好的效果。

为了准确地预算出大口径SiC轻量化主镜镜面的温度变形，研究了不同热模式下SiC轻量化主镜镜面面形的定标和计算方法。将SiC轻量化主镜上的温度传感器在轴向厚度方向上进行分层处理，对每层上的温度分布采用准Zernike多项式进行拟合。以4 m SiC轻量化主镜为例，采用有限元法分别对准Zernike前9项温度模式(18种温度场)下的镜面变形进行定标计算，得出各种单位载荷作用下轻量化主镜镜面的最大变形以及面形误差PV值和RMS值。计算结果表明：准Zernike第一项模式、单位载荷作用下镜面变形最大，其面形误差RMS为278.3 nm。采用最小二乘法对各种温差场下的镜面误差进行准Zernike多项式拟合，获得了准Zernike像差项的系数。采用最小二乘法拟合计算出镜面变形误差产生的准Zernike像差项的系数，结果表明，18种温度场下产生的像差形式主要有：平移、倾斜、离焦、彗差和像散。

基于FPGA研究了液晶显示的驱动方法，参照液晶显示的逻辑和时序标准设计了可选择分辨率的通用液晶驱动，用Verilog硬件描述语言编写了通用液晶显示驱动控制器，可以实现不同分辨率的清晰动态显示，在不需要修改核心代码的情况下，普遍适用于多种分辨率图像切换显示。经实验验证，该通用液晶显示控制器占用资源少，能够满足液晶显示时序控制的要求；通用性好，可移植性强，在系统外扩高速存储设备后即可作为嵌入式系统的一部分驱动标准高分辨率液晶显示器。

为了代替PC机对高帧频数字图像进行实时采集显示，使用片上系统(SOC)和可编程片上系统(SOPC)的设计方法，设计了基于NiosⅡ软核的嵌入式图像采集显示系统。依据系统功能需求设计出系统架构，给出了系统各个功能模块的设计方法，对系统中接口模块的信号时序和图像数据缓存处理架构进行了软件编写及仿真。描述了应用该系统所进行的高帧频图像采集显示实验，并分析了系统性能。实验结果表明：对于帧频高达1 230帧/s、分辨率为128×128的图像源，该系统可以对其进行实时的采集显示。满足了降低成本、节约空间、提高系统稳定性和工作带宽的要求。

针对大型地基高分辨率成像望远镜对自适应光学系统波前处理规模的需求, 设计了基于现场可编程门阵列(FPGA)的高速大单元自适应波前处理系统,给出了设计方案, 实施过程和测试结果。提出的基于FPGA的自适应光学系统波前处理机, 在软件上采用FPGA对整个系统进行数据配置和调控, 实现多路D/A数据同时传输和转换。同时, 采用FPGA作为波前处理运算中的图像预处理和波前子孔径斜率计算的核心器件,在满足波前处理精度的前提下, 缩短了波前处理延时, 提高了波前处理能力,波前处理可达2 000 frame/s。在硬件上, 采用波前处理主板与可扩展的波前处理子板相结合的形式来提高系统的输出能力。每块波前处理子板的校正量输出为120路,波前处理主板的最大扩展能力为10块,整个系统可实现1 200路校正量的输出。

研究了用于扩展目标成像的相位差异技术。该技术利用焦面和离焦面上的两幅图像之间的相位差异来估算波前相位畸变，同时对采集的图像进行恢复。设计了白光目标成像实验系统，用宽带白光作光源，在实验室搭建实验平台，模拟无穷远处目标和波前相位畸变。采用直角梯形分光棱镜将光路分为两个通道，在一台相机上同时采集两个通道像面上的图像，消除了相机不同产生的差异，极大地抑制了噪声对图像恢复的影响，分光后系统抗两个通道独立的高斯白噪声的能力为10%。实验结果显示恢复后的图像分辨率提高了19%，表明该技术是适合光电成像系统的图像恢复技术。

为获得空间目标监视设备上空适合观测的天区以提高设备的使用效率和观测效率，设计了实时监视观测站上空云层位置分布的光电测量系统。该系统采用以扁椭球折反射透镜组为核心的大视场光学设计，结合非制冷红外焦平面列阵探测器用于全天时采集天空云层图像；通过装有图像采集卡的计算机对采集的天空背景图像进行伪彩处理、图像修复等操作后，获得无云、薄云、厚云以及它们之间过渡区域可清晰区分的伪彩云层图像，并根据实验标定建立的空间角位置和像素的函数关系，给出云的分布位置信息。实验结果表明，该测量系统可以每5 s输出一次高度角在20°以上的彩色云图，并计算出天空中云层的方位分布，定位精度约为1°。此系统可以实现云层分布的大视场定位测量，并提高空间目标监视设备的效率。