针对太阳翼工作特征，设计了一种截断复合平面聚光器，并通过耦合实时日地距离、地星空间关系以及太阳辐射理论，构建了太阳翼接收太阳辐射模型。研究采用编程计算、仿真模拟和实验验证相结合的方式，结果表明复合平面聚光器的聚能特性与理论预测结果趋于一致。电池板表面太阳辐照度平均绝对误差仅为0.04 W/m²，卫星受晒特征时间平均绝对误差为18.2 s。太阳翼理论发电功率峰值相较于常规太阳翼提升了约87%，且接收半角内电池板表面能流密度平均均匀度达到了0.615。研究结果可为太阳翼的结构设计与优化提供参考。

针对我国首颗静止轨道高分辨率光学遥感卫星高分四号（GF4）的可见光通道面阵成像载荷，基于成像模型中内外方位元素的相关特性，提出一种基于先验有理多项式（RPC）模型的在轨几何定标方法，以地面控制点的真实像点和基于RPC模型计算的虚拟像点为观测值，在初始的定标参数基础下重建精确的几何定标参数，实现卫星成像载荷系统性几何误差的补偿。本方法完全避免了传统在轨几何定标构建严格几何成像模型中复杂的辅助数据处理和多个成像坐标系统的转换，建模和解算均极为简单，且定标结果可直接应用于基于严格几何成像模型的地面处理系统。通过一组GF4卫星面阵载荷的真实影像数据实验验证了本方法的有效性和模型的合理性，结果表明：本方法可有效补偿成像模型中的系统几何误差，且得到定标结果与基于严格几何成像模型的传统定标方法几乎一致。

得益于自由曲面更多的设计自由度和强大的像差校正能力，人们设计出了众多具有超高性能、紧凑结构及新奇功能的成像光学系统。但自由曲面的数学复杂性以及非旋转对称性也对传统的成像光学系统设计方法提出了很大的挑战。简要概括了自由曲面成像光学系统的发展历史和现状。详细介绍了自由曲面成像光学系统的多种设计方法。分类总结了具有高性能、新结构和新功能的自由曲面成像光学系统在各领域的应用。最后，对自由曲面成像光学系统未来的发展方向进行了展望。

为满足高性能光学系统的设计要求，需要研究面形灵活可控的光学曲面数理描述方法和其相应的分析及设计方法。具有更多自由度的复杂光学曲面可以有效提升光学系统的性能。简要讨论了光学曲面的数理描述方法；概括性地介绍了光学曲面数理描述方法的研究现状与进展，介绍了局部和整体面形控制方法，归纳总结了新的复杂光学曲面数理描述方程，并通过实例证明相关曲面应用的可行性和有效性。最后对曲面数理描述方法的未来发展进行了讨论和展望。

为了解决视觉测量在非均匀折射率环境中应用时出现的成像畸变问题，建立了在非均匀温度场中形成的非均匀折射率场，研究了光线在该折射率场中的轨迹并根据轨迹偏差修正了图像畸变。利用背景纹影法重构了由非均匀温度场产生的空间折射率场，将空间点发出的光抽象为光线，根据龙格-库塔法修正非均匀折射率场中的光线轨迹并校正图像畸变。利用PnP（pespective-n-point）算法和校正前后图像中同一点的像素坐标解算该点的世界坐标。实验结果表明，该方法能有效降低测量误差，修正被测图像的畸变。

为高精度监测太阳光谱辐照度变化, 设计一款高精度太阳光谱辐照度仪用于获得太阳光谱辐照度数据。该辐照度仪设计了三种光路完成性能指标, 其主光路用于测量光谱辐照度, 参考光路用于波长标定, 太阳跟踪光路用于室外精密跟踪太阳。详细介绍了辐照度仪主光路的设计, 主光路采用 Féry 棱镜进行色散与会聚, 辐照度仪入射狭缝通过 Féry 棱镜成像到棱镜焦平面。通过旋转棱镜, 在辐照度仪焦平面通过两个单元探测器获得 380～2500 nm 光谱辐照度。通过理论分析和实验验证, 在 380～2500 nm 光谱范围内仪器的光谱分辨率小于 40 nm。采用标准灯对太阳光谱辐照度仪进行光谱响应范围验证, 结果表明仪器的光谱范围满足测量需求。

高精度双向反射分布函数 (BRDF) 绝对测量装置可用于星上定标漫反射板等漫反射参照体 BRDF 的绝对测量, 其转角的不确定度是整个装置不确定度的主要来源之一。通过对各部件几何位置的标校降低 BRDF 绝对测量装置转角的不确定度, 可有效降低BRDF 绝对测量的不确定度, 具有重要的意义。根据 BRDF 绝对测量装置的特点, 以串联式六轴机器人为测量工具, 以固定于中空分度盘的积分球光源出射的光束作为指示, 开发了一整套 BRDF 绝对测量装置各部件几何位置的标校方法, 最后基于镜反射实验验证了转角的精度优于 0.05°, 满足应用需求。该方法不仅测量精度高,而且大大简化了装调过程, 实现了无接触式标校, 为类似装置的标校提供了参考。