为解决现有星模拟器只关注星图模拟精度而忽略天空背景模拟的问题, 设计了具有均匀天空背景的高精度静态星模拟器.重点阐述星模拟器的组成和工作原理, 详细论述光学系统优化设计方法.根据模拟器光学系统透镜大、精度高的特点, 采用筒套筒的镜筒设计形式; 为了保证星图模拟精度, 采用激光直写技术制作星点板, 刻划精度优于±1 μm.测试结果表明: 设计的具有均匀天空背景的高精度静态星模拟器的星图模拟精度优于3″, 天空背景均匀性优于95%, 满足导航敏感器的高精度地面标定与功能测试需求.

为了实现星敏感器的地面标定和精度测试，研制一套具有可变星图背景的高精度星图模拟器，要求该系统的单星位置精度优于10″。采用高精度静态目标标准源作为星图模拟器的核心器件，配合一种亮度可控照明系统，实现星点和背景的同时模拟，并设计准直光学系统，使模拟星图与背景成平行光出射，在星敏感器出瞳处产生星图，完成背景可控、星点位置精度高的星图模拟。最后，提出提高星点位置模拟精度的方法，并利用经纬仪实测星点位置精度，配合照度计测试背景亮度。从实验结果可知，该模拟器的星图模拟精度优于10″，背景亮度可实现26倍调整，可用于高精度星敏感器的地面标定和精度测试。

为了实现对卫星控制系统中太阳敏感器的高精度地面标定和测试，提出一种真实模拟太阳光辐射特性的高精度准直式太阳模拟器设计方案，根据模拟器热功率高的特点，对氙灯与组合聚光镜、转向平面反射镜、光学积分器等主要组成部分进行了详细的光机结构与热控结构的设计。运用Ansys软件进行热学仿真分析，保证热控结构设计的合理性与最优性。通过实际检测，设计的太阳模拟器可以真实地模拟太阳光辐射特性，准直角小于32′，辐照面小于Φ100 mm时，不均匀度优于±1.6 ％；辐照面在Φ(100~300) mm时，不均匀度优于±4.2 ％，满足对高精度太阳敏感器的地面标定和精度测试。

设计了一种可同时实现准直式和发散式太阳光模拟的多功能太阳模拟器光学系统.阐述了光学系统中聚光镜的设计与光学积分器的优化技术.采用Zemax软件中序列与非序列功能结合的方式对光学积分器的参数进行优化,并设计了准直物镜.利用LightTools软件对光学系统进行模拟仿真,结果表明：设计的光学系统实现准直式太阳光模拟功能时,辐照面可达Φ300 mm,且辐照不均匀度优于±6.1%;通过改变准直物镜的位置,发散式太阳光模拟功能时,辐照面可达Φ1 500 mm,且辐照不均匀度优于±6.7%.

为了满足月球敏感器和导航敏感器对月球目标的观测需要, 设计了大口径高辐亮度月球模拟器, 其有效辐照面积为Φ2 000 mm.利用照明分析软件LightTools, 通过建模与追迹方法对模拟器的月相、辐亮度和均匀度进行设计、仿真和分析.设计月相目标与月球亮度控制系统, 对14种典型月相及其辐亮度进行实时控制, 提出LED灯阵的辐亮度修正方法提高系统均匀度.测试结果表明: 经过修正后, 模拟器的辐亮度均匀度优于15.7%.该模拟器可作为月球观测目标供敏感器识别.

为解决现有太阳模拟器无法同时模拟真实太阳张角和真实辐照度(一个太阳常量)的难题, 设计了一种新型太阳模拟器光学系统, 阐述了光学系统中聚光镜的设计、光学积分器的优化技术及投影镜组的离焦对辐照不均匀度的影响.利用Zemax软件, 以序列与非序列功能相结合的方式对积分器的光学参量进行优化, 并设计了视场光阑和准直物镜系统.利用LightTools软件对光学系统进行仿真, 结果表明: 设计的太阳模拟器可以实现32′的真实太阳张角模拟, 且辐照度达到一个太阳常量.同时, 辐照面小于Φ100 mm时, 不均匀度优于±1.6%; 辐照面在Φ(100～300)mm时, 不均匀度优于±3.8%.

介绍了航空成像系统的特殊工作环境及应用需求对检调焦技术的要求，讨论了当前3种主要检调焦方法: 程序标定法，光学自准直法及图像对比度法，总结并比较了3种方法的检调焦精度、检调焦时间等性能指标。最后着重讨论了基于光场成像理论与光学系统离焦深度之间的关系，对基于光场成像原理的快速检调焦技术进行了深入的分析、讨论，并对该技术在航空成像系统的应用前景进行了展望分析。

为了解决机载光电平台与载机间存在相对角位移造成目标定位精度下降问题，设计了一种机载光电平台相对角位移实时测量系统。对现阶段使用的机载光电平台目标定位精度不高的原因以及基于改进的多控制点相机在线标定与姿态测量等理论进行研究。分析了机载光电平台目标定位误差的主要原因；对基于单目视觉理论的机载光电平台相对角位移测量方案进行研究，并以相机标定理论为原型给出了相对角位移测量的数学模型；结合多控制点立体靶标并使用随机并行梯度下降算法(SPGD)与直接线性变换方法(DLT)，给出了三步法求解机载光电平台相对角位移的方法；使用设计的方法对机载光电平台相对角位移进行了测量，给出了实验与仿真结果。实验结果表明：设计的机载光电平台相对角位移测量方法精度优于0.092°，单次测量平均耗时小于0.54 ms，完全满足现阶段机载光电平台相对角位移测量的精度与实时性等相关要求。

针对传统太阳模拟器普遍存在辐照均匀度较低的缺陷, 改进设计了一种可以有效提高太阳模拟器辐照均匀度的光学积分器.介绍了该光学积分器的组成和工作原理; 阐述了光学系统的优化设计技术; 对其光机结构进行合理化设计, 并使用ansys软件对光机结构进行热分析.最后, 利用lightTools软件对太阳模拟器系统进行模拟仿真.结果表明: 使用所设计的光学积分器后, 太阳模拟器辐照不均匀度明显降低, 在Φ60 mm范围内小于±1%, 在Φ(60~200)mm范围内小于±2%.该结果与实际检测结果一致, 能够满足高准确度的使用要求.

为减小温度对航空变焦距镜头成像质量的影响，设计了一种基于差动原理的被动消热结构。通过NX Nastran有限元分析软件对变焦镜头在高温和低温两种工况下进行了热分析，利用消热原理及分析数据对变焦镜头4个组件进行了消热设计。对消热设计前、后的变焦镜头进行了消热结构耦合分析，分析结果表明变焦镜头经过消热设计后最大热变形量减小了0.03 mm。利用泽尼克系数作为数据接口，将获得的热结构分析结果作为光学分析软件Code V输入，仿真出了消热设计前、后变焦镜头在+55 ℃时的光学传递函数曲线。和镜头设计传递函数值相比，消热设计前镜头在78 lp/mm处传递函数值减小约0.2，传递函数值下降了50%，而消热设计后镜头传递函数值基本保持不变。仿真结果证实了消热设计的有效性。最后通过实验验证了仿真结果的正确性。