变曲率反射镜是一种主动光学元件，通过改变自身曲率半径实现对波前的动态控制。首先对变曲率反射镜国内外现状及发展趋势进行了综述；其次，建立了变厚变曲率反射镜形变物理模型，对兼顾大中心形变与高面形精度的机理进行了理论分析，并通过形变的面形精度保持实验对其性能进行了验证；最后，从三个方面探索了变厚变曲率反射镜在空间光学相机中的应用：1）针对大变倍比变焦成像对反射镜超大中心形变的要求，设计了基于有限元迭代并叠加高阶球差的反射镜优化流程，实现了近毫米级中心形变反射镜设计；2）针对空间光学相机成像对调焦精度及速度的要求，提出了基于次镜变曲率反射镜的高精度大动态调焦方法；3）提出了积分时间内利用变曲率次镜沿光轴方向快速扫描的编码成像方法。

将指数修正嵌入到矢量外推框架中, 构建了一种改进的矢量外推Richardson-Lucy算法。以结构相似度因子作为评价指标, 优化彩色图像三通道最佳迭代次数,确定矢量外推加速参量与指数修正加速参量最优组合.试验结果表明: 改进的矢量外推Richardson-Lucy算法总迭代次数减少了78.9%, 能有效抑制噪声放大, 无需后续处理就能获得视觉质量更好的复原效果.该研究可为Richardson-Lucy算法在实时波前编码成像中的应用提供参考.

与传统的激光测高技术相比,单光子激光测高技术具有数据量大、质量轻、测距精度高等优势,是激光测高技术的发展趋势。建立数学模型对单光子激光测高特性进行研究,用数值计算估计了单光子激光测高的性能,并建立了地物模型,用蒙特卡罗方法进行了仿真,提出了测高数据的滤波方法和一种利用遥感图像优化高程信息的算法。结果表明:在正午阳光背景最强烈的条件下,典型地物模型单光子激光测高的均方根误差为6.1 cm,用算法优化后的误差为2.6 cm。

在完善基于有限元分析的跨平台综合优化流程的基础上, 获得了反射镜最优结构参数,并通过21阶Zernike多项式面形拟合得到球差是导致反射镜形变过程中面形精度退化的主导像差模式.根据有限元优化得到的最优结构参数研制了第二块气动驱动渐变厚度变曲率反射镜样片(口径135 mm, 中心厚度8 mm, 初始曲率半径2 807 mm)并进行了曲率变化能力及面形精度保持试验研究.研制工艺的改进使本文所研制的变厚铝合金反射镜初始面形精度优于λ/80(632.8 nm), 当驱动气压达到约0.07 MPa时, 反射镜中心形变量接近37 μm并且去掉球差影响后的面形精度可以优于λ/40(632.8 nm).与前期所研制的第一块样片相比, 第二块样片的中心形变能力以及面形精度保持能力均显著提升.

在位相差异技术原理的基础上, 利用现有平台, 通过室内实验以及室外推扫成像试验, 检验了位相差异技术波前反演的效果.试验表明: 以干涉仪实测波前与反演波前的残差均方根误差作为评价标准, 基于位相差异技术的波前反演精度可达1/40λ(λ=632.8 nm); 同时, 利用反演波前进行的图像复原滤波能够大幅改善推扫退化图像的品质, 复原后图像信噪比的提升量优于40%, 奈奎斯特频率处调制传递函数的提升量超过80%.间接地证明了位相差异波前反演技术的实际效能, 为位相差异波前反演技术的空间应用奠定了基础.

以环形线负载驱动模型为基础, 分析了环形线负载驱动变曲率反射镜难以兼顾大中心形变与高精度面形保持的原因; 从薄板弹性理论出发, 得到了一种气动驱动变厚变曲率反射镜物理模型.理论分析表明, 将反射镜的厚度分布从等厚改为变厚, 并采用气压均匀驱动替代推力环环形驱动, 反射镜不仅能产生大的中心形变, 而且在形变过程中的面形精度也远高于环形线负载驱动变曲率反射镜的.基于超硬铝反射镜样片的试验验证了对变厚变曲率反射镜的理论分析; 试验中, 反射镜初始面形精度接近λ/50(632.8 nm), 施加0.032 MPa驱动气压产生约22 μm中心形变时, 反射镜面形精度依然优于λ/20(632.8 nm), 证明该气动驱动结合变厚设计这一技术具有较大的应用潜力.

从薄板弹性理论出发, 对可实现曲率变化的环形线负载驱动模型进行分析, 给出了基于该模型的大镜厚比变曲率反射镜的形变方程.以较小的驱动力实现较大的中心形变为目标, 利用MATLAB软件对不同反射镜厚度、驱动环半径下的反射镜形变情况进行模拟计算, 结果表明, 反射镜厚度范围在2~4 mm之间、驱动环半径数值在反射镜有效半径1/2处最佳.以此为依据, 设计并研制了口径为100 mm、厚度为3 mm的铍青铜环形线负载驱动变曲率反射镜结构及原型样片, 给出了变曲率反射镜整体结构前10阶的振动模态分析结果.完成装配后, 反射镜原型样片的面形精度接近λ/30（λ为波长）.对该结构进行极限曲率变化和面形精度保持的验证实验, 通过对变曲率反射镜结构进行改进, 环形线负载驱动能够实现超过30个波长（632.8 nm）的中心形变, 且面形精度的变化与反射镜中心矢高的变化呈弱相关.

波前编码作为一种经典的计算成像技术, 以能够大幅度拓展光学成像系统的焦深而闻名, 并得到了学术界及工业界长期的关注。实际上, 除了焦深的拓展, 波前编码还具备实现超分辨率成像的潜力, 而这在已有的研究中鲜有讨论。一方面, 相位掩膜板的引入在降低光学系统传递函数并使其对离焦不敏感的同时, 也有效降低了欠采样数字成像系统中的混叠效应, 从而提供了更适合于进行超分辨率重构的数据源。另一方面, 相位掩膜板所引起的点扩散函数支持域的巨大化效应使得以数字的方式、从采样间隔可以被认为是无限小的、理想的光学焦平面点扩散函数来计算与特定探测器物理像元大小相对应的采样点扩散函数成为可能。因此, 从这两个特点出发, 提出了一种为波前编码系统定制的、基于单帧图像放大的超分辨率重构算法, 并且研制了原型样机对超分辨率的效果进行了检验。试验表明: 焦距50 mm/F数4.5的Cooke三片系统除了焦深拓展超过20倍且具有接近衍射受限成像品质之外, 利用复原算法能够实现至少3倍的高品质超分辨率重建效果。