在任务数量和消耗量不确定的情况下, 针对由两种寿命指标衡量且其中一种无法被控制的装备梯次使用问题建模和求解方法进行了研究。构建不确定情况下双寿命装备梯次使用问题决策模型, 提出以梯次均匀度、寿命匹配度和寿命利用率最大化为目标, 使用I-NSGA-Ⅲ进行求解。采用改进的分段编码方式和算子, 引入重复个体控制机制以提高种群多样性。当问题规模较大时, 可以在较短的时间内搜索更大范围, 验证了所提方法的可行性。

针对积分器入射面的辐照不均匀度高导致的太阳模拟器辐照均匀性较差的问题，设计了一种自由曲面聚光镜。基于点光源模型，根据能量守恒定律和非成像光学中的边光理论，建立光源出射角度与目标面对应点的映射关系；依据菲涅耳定律结合映射关系推导出微分方程，通过龙格-库塔法求解微分方程，计算出离散点数据；拟合离散点数据得到自由曲面聚光镜的母线，旋转母线获得自由曲面聚光镜的初始结构。使用贝塞尔曲线表征自由曲面母线，利用模拟退火算法对引入扩展光源的自由曲面进行反馈优化，从而得到连续的自由曲面面形。采用LightTools软件仿真太阳模拟器光学系统，结果表明：自由曲面聚光镜的辐照均匀性较椭球聚光镜的辐照均匀性显著提升，辐照面?50 mm内辐照不均匀度优于±0.32%，辐照面?100 mm内辐照不均匀度优于±0.53%；通过误差仿真分析，依据现有自由曲面加工与检测水平，验证了所设计自由曲面聚光镜加工、检测与装调的可行性。

从隧道照明亮度均匀度出发，以《公路隧道照明设计细则》的评价标准为约束条件，利用逐点法优化建立了一种基于隧道结构参数的灯具配光模型。通过DIALUX光学软件构建仿真隧道场景，将隧道结构参数代入该灯具配光模型计算出适配的灯具配光曲线，并对设计灯具的照明性能进行了实验验证。结果表明，采用该模型设计的照明灯具，可以保证隧道环境的平均照度、平均亮度、亮度均匀度和纵向亮度均匀度均满足国家评价标准。此外，在实验中通过调节多项隧道参数（布灯方式、灯具安装仰角和安装间距），对照明质量进行对比分析，得出设计灯具在初始隧道参数下照明质量和节能性均最佳的结论，验证了隧道灯具配光模型的高效性，并证明了该模型在隧道灯具设计领域具有很好的应用推广价值。

针对LED扩展光源, 采用双向反馈网格法设计了自由曲面透镜。划分光源和目标面的能量网格, 通过对每一条迭代曲线建立反馈系数, 对网格点进行修正并建立新的映射关系, 设计了两个目标面中心无光照度的自由曲面透镜。将设计的自由曲面透镜用蒙特卡罗方法对不同尺寸的LED扩展光源进行了模拟仿真。结果表明, 对于尺寸在4mm×4mm以下的LED扩展光源, 所设计的自由曲面透镜在照明区域内的均匀度和光能利用率均能达到90.5％以上, 适用于道路照明等场合。

现有太阳模拟器在辐照度调节时存在调节范围窄、数值不连续等缺陷,这会严重影响辐照不稳定度和光谱匹配度。针对这个问题,提出基于环带聚光与对称匀光理论的太阳辐照调制方法。首先,研究椭球聚光镜配光所形成的辐照面的能量分布;接着,研究光学积分器的匀光机理,提出基于通孔的能量调制方法,结合辐照度分布函数获得均匀的辐照度分布;最后,设计辐照调节系统,通过改变辐照调节板开孔尺寸实现辐照度的连续调节,利用Lighttools软件进行辐照度仿真。仿真结果表明:太阳模拟器的辐照度在490.38~1473.78 W/m ²范围内连续可调,且椭球聚光镜的斜率误差为σ=2 mrad时,不同辐照度下的不均匀度均优于1.76%(达到太阳模拟器校准规范的A级要求),实现了太阳模拟器辐照度的宽范围调节,且辐照度调节不会改变辐照不稳定度和光谱匹配度。

为了解决太阳模拟器辐照均匀度普遍较低的问题，根据太阳模拟器的工作原理，建立了变系数椭球聚光系统。通过将传统椭球面方程进行泰勒展开后得到高阶方程，再通过演变得到了一种变系数的椭球面方程。通过调整变系数椭球面方程的系数，得到最佳的变系数椭球面方程。通过MATLAB分别仿真变系数椭球镜和传统椭球镜的第二焦面处的能量，将两者进行对比。使用LIGHTTOOLS软件仿真传统椭球镜和变系数的椭球聚光镜光学系统。仿真结果表明：变系数椭球镜第二焦面的均匀度比传统椭球镜的好，变系数椭球镜的辐照面均匀度要比传统椭球镜的辐照面均匀度高3.91%，基本满足太阳模拟器的高辐照均匀度要求。