对于恒星光斑成像，传统的梯度评价算法在重度离焦情况下梯度细节薄弱，难以识别正确的调焦方向。为了实现跟星系统对恒星的快速成像和可靠跟踪，建立了针对恒星成像特征进行评价的自动调焦系统，对系统的聚焦评价算法、自动调焦结构以及自动控制系统进行研究。通过跟星系统成像的灰度分布情况分析光斑图像梯度特征在正焦和离焦时的区别。根据恒星光斑成像灰度级差异变化的特点，将背景值纳入评价贡献，在传统的梯度评价函数中加入光斑信号灰度差异贡献。设计适用改进算法的调焦硬件结构和系统结构，利用步进电机和调焦底座组成调焦组件，通过计算控制单元驱动调焦组件实现自动调焦系统。利用搭载调焦系统的跟星装置进行实验和分析。实验结果表明：自动调焦装置能够在跟星系统中稳定地进行调焦工作，且改进算法相对于传统梯度算法有着更好的调焦方向性，在保持传统梯度算法67%灵敏度的同时，将局部极值点减小为0。改进算法不受梯度细节薄弱影响，能够在不同离焦程度下保持较好的调焦方向性和正焦灵敏性，跟星系统在搭载自动调焦装置后能够快速搜索合适焦距并进行大气光学特性测量。

为降低光束质量测量系统中阵列光纤输出串扰导致的测量误差，本文提出了硬件设计与算法构建相结合的串扰校正方法，并就此展开了相关的原理研究与方法验证。首先，基于光束质量测量要求和光纤传光原理分析了阵列光纤的串扰影响；其次，结合朗伯散射原理和实验结果验证了校正串扰的原理：使用朗伯体降低阵列光纤输出光发散角差异，并建立统一的弥散光斑串扰模型，再采用反卷积算法复原到靶光斑；再次，介绍了针对性的反卷积算法原理，并就相关参数的设计展开了讨论；最后，对真实光斑、光纤输出的未校正光斑及已校正光斑进行对比分析，实验验证了校正方法的可行性。实验结果表明：与未校正光斑相比，校正后光斑强度分布的相对均方根误差由36.06%降至4.67%，桶中功率的相对均方根误差由7.79%降低至0.73%，86.5%桶中功率所在束宽的测量相对误差由10.83%降至3.46%，结合校正算法的图像处理和参数计算总时间约为8 s。

研制了通用大气辐射传输软件CART，可以根据大气参数计算可见光到远红外波段的大气光谱透过率和背景辐射（包括环境散射太阳辐射和热辐射）。光学工程特别关注某一波段的大气透过率随天顶角、距离等参数的多维变化，需要快速计算这些场景变化的大气光学特性。介绍了CART新增的大气辐射传输二维场景计算功能。引入离散坐标法（DISORT）模块，一次计算可同时得到各方位角和天顶角的多次散射辐射强度，大大提高了计算效率。对于大气透过率和热辐射随空间位置的变化缓慢的特点，采用抽样计算、样条插值的方法，在保持计算精度基本不变的情况下，大大节省了计算时间。对于场景计算，相对于逐点串行计算，速度提高了2~3个量级。这在实际工程应用的大气辐射传输场景计算中将有重要的应用。