针对现有多波段成像系统体积大、功耗高和集成化设计困难的问题，本文提出了一种基于单传感器的三波段共口径成像光学系统的设计方法。首先，在光学系统的光阑处设计1×2多波段透镜阵列，把可见光波段和短波红外波段同时成像在一个像平面上，并把两个波段中心波长的成像位置偏差控制在一个像元内以实现双波段融合成像。然后，针对双波段成像衍射极限不同的问题，提出分通道透镜阵列的离轴偏移量和通光口径大小联合优化方法，并采用双电动光阑高速控制三个成像通道的切换速度。最后，设计了一个基于单传感器的焦距为30 mm，工作波段分别为480~900 nm、900~1700 nm和480~1700 nm的三波段共口径光学系统。设计及分析结果表明该系统具有成像质量好、结构紧凑、无运动光学元件、成像波段切换速度快等优点。

相较于单涡旋光束，涡旋阵列光束能够扩充信息的传输容量，研究其传输特性对其光通信应用具有重要意义。本文选取阶数为n的螺旋因斯-高斯(HIG_n,n)模式，采用海上大气折射率变换的功率谱，模拟海面大气湍流。基于相位屏法研究了一维阵列涡旋光束在海面大气湍流中光强、相位、闪烁因子和质心漂移的变化情况。结果表明：（1）HIG_n,n模式的闪烁因子和质心漂移标准差随湍流强度以及大气湍流内尺度的增加而增加；（2）n为奇数的HIG_n,n模式的闪烁因子随着阶数的增大而减小，且高于n为偶数的HIG_n,n模式；（3）阶数n>1的HIG_n,n模式比LG_0,1模式具有更好的稳定性；（4）阶数越高，HIG_n,n模式的质心漂移标准差越小。其次，选取线性阵列涡旋光束（LAVBs）进行对比，研究得出虽然LAVBs比HIG光束具有更好的传输性能，但由于HIG光束具有独特的结构，故可适用于不同的应用场景。最后，分析了椭圆参量和椭圆环数对HIG模式传输的影响，结果表明适当地增大椭圆参量或椭圆环数有助于提高HIG模式的抗湍流能力。本文研究结果对涡旋光束的海上应用具有指导意义。

利用旋转移相技术的几何相位调控方法，提出一种基于传输相位差概念的波束扫描高功率微波反射阵列天线。电磁仿真结果表明，所设计的三叉戟形反射阵列天线单元工作于9.5～10.5 GHz，在0～40°入射角度下具有360°范围内的线性相位调控能力，真空条件下的功率容量达到1.11 GW。采用该单元设计了半径为200 mm的圆形口径反射阵列天线，并使用全波仿真软件进行验证，利用口径相位分布的可重构特性，所设计的反射阵列天线可以实现±40°范围内的波束扫描。在10 GHz时，波束扫描过程中的增益下降小于1.7 dB，最大增益达到31.1 dBi，对应口径效率为73.42%，最低口径效率超过50%，副瓣电平和轴比始终低于−18.7 dB和1.6 dB。

传统的透射式空馈阵列存在功率容量低的缺点，不能直接应用于高功率微波领域。现有的高功率空馈阵列布局不够灵活，波束扫描速度较慢，不能充分发挥空馈阵列在系统集成方面的优势。提出并设计了一种新型的采用空间馈电的螺旋辐射单元，并构建了一种透射式空馈螺旋阵列天线，通过控制单个螺旋旋转可以实现二维波束扫描，在设计上更加灵活，可根据实际应用需求调整阵列布局，符合高功率微波天线紧凑化、模块化的发展趋势。仿真设计了包含324个单元的透镜阵列，数值模拟结果表明，单元反射系数S₁₁≤−20 dB，功率容量0.35 MW，阵列口径效率0.68，可在±45°范围内扫描，最大增益下降3 dB。