为减小大口径光学窗口对系统入射光线的影响, 提高光学窗口性能及光学系统成像质量, 提出了基于普通环带支撑的中间环带辅助支撑形式, 并在不同口径、径厚比及遮拦比状态下比较两种支撑方式对光学系统波前误差的影响。与普通环带支撑方式相比, 采用中间环带辅助支撑形式可以降低90%的由窗口引入的波前误差, 该方式对径厚比为100/1的窗口的支撑效果可以达到普通支撑方式下径厚比为100/3的窗口类似的支撑效果。因此, 中间环带辅助支撑形式可以有效提高窗口支撑效率、减小窗口厚度及质量、降低窗口对入射光线的体吸收率。

激光照明的主动探测是通过发射激光对目标进行照明，并对目标的反射光接收、成像的一种探测方式。本文分析了该过程中大气后向散射对系统探测能力的噪声干扰，建立了相应的物理模型，并对相关影响因素做了仿真，为主动探测系统设计中减小后向散射的考虑提供了理论支持。设计了外场实验，利用CCD 相机对远距离目标的回波以及大气后向散射进行了探测，并将探测图像的灰度值统计与理论计算结果进行了定性比对，实验结果与理论分析较为符合。此外，该实验系统的设计参数也为相关主动探测系统的设计提供了参考。

为了分析光电经纬仪机架的温度变形, 建立了经纬仪机架结构的三维模型, 利用 Ansys/Workbench有限元分析软件对整机机架进行了稳态热分析。给出了机架温度场分布、机架总体变形以及沿 Z轴方向的变形情况。通过仿真结果与实验对比分析表明, 光电经纬仪机架在太阳照射不均匀及环境温度变化条件下, 局部会发生较大变形。机架结构在 27.938 ℃时的最大变形为 0.133 mm, 左右立柱变形造成水平轴倾斜 2.8″, 机架变形会降低经纬仪的指向精度。这些分析为下一步机架结构优化设计、温度传感器布点及局部温度控制提供了参考信息。

运动平台上的光学系统不可避免的产生镜面失调, 如何描述失调光学系统的光路传输是一个非常迫切的问题。本文利用 Matlab符号运算, 通过两次坐标旋转和坐标平移得出了失调镜面方程, 随后用矢量形式反射定律求出光线经过失调镜面后的方向矢量, 通过光线追迹法, 建立了失调光路传输模型。实例计算中, 以某仪器的望远镜结构为光学模型, 用 Patran_Nastran的瞬态求解功能, 求得在 xyz方向同时加载相应正弦振动时镜面的失调位移, 随后利用光路传输模型, 得出了过主镜中心的光线 (视轴)经主镜、次镜和反射镜反射后的最大抖动角度分别为0.003 4°, 0.016 1°, 0.017 7°, 并且得出了光斑在靶面及空间运动轨迹。

本文根据运动平台上某跟踪系统主镜筒的设计方案, 在 ansys平台下建立系统有限元分析模型, 求得了主镜筒的前十阶固有频率和结构的强弱分布, 确定了结构分析的重点为主、次镜的相对位置变化。定义了描述主、次镜相对位置变化的参量及其计算方法, 并在冲击载荷作用下计算分析了主、次镜相对位置的瞬态响应, 总结了主镜筒的响应规律。分析结果为跟踪系统总体结构振动分析提供方法参考, 为系统动力学优化设计提供理论依据。

借助现有的流体力学分析软件，运用用户自定义函数的方式，建立了一套完整的光场流场耦合相互作用仿真模型。针对一种特殊的激光内传输通道，对光场流场耦合相互作用的气体热效应问题进行了仿真计算。仿真结果表明:通道内气体速度分布是非常不均匀的，但在无激光加热时，气体密度基本保持均匀分布；将激光加热效应引入到流场以后，气体密度分布会发生明显变化；激光加热引起的气体非均匀密度分布使得激光通过传输通道后，产生双鱼眼型结构的光场相位分布。

保持光传输通道内单一均匀的低吸收系数气体，对削弱内通道中的气体热效应有重要意义。采用气帘作为封装设备，对气帘的结构进行了设计。取气帘入口气体为氮气，出口气体为空气，借助现有计算流体力学软件FLUENT提供的组分输运模型，对气帘进行了数值模拟。结果表明，气帘入口段形成的平面射流可以阻挡外界空气的回流；在氮气与氧气相混合的区域内，尽管气体密度存在一定起伏，但气体密度变化的梯度方向与光传输方向基本是平行的，这种密度起伏只会对光场相位的活塞项产生影响，不会影响激光的远距离传输。最后，对气帘的性能进行了实验测试，实验结果表明，设计的气帘能够对管道内的气体进行密封，并避免了较大光程差的引入。

激光非均匀加热效应严重影响着激光能量的远距离传输。对于矩形平顶光束，在有轴向流存在的情况下，采用光束旋转的方式，借助商用的计算流体力学（CFD）软件Fluent，对激光在内通道中传输的气体热效应问题进行了仿真分析。仿真结果表明，激光束在横截面内的旋转，并不改变光场与气体耦合热效应到达稳态的时间。但是光束旋转效应使得光强非均匀分布带来的二阶像散项基本消失，光程差中只包含沿光轴方向对称的离焦项和球差项。而离焦项是便于校正的，因此光束旋转能够改善激光在内通道中的传输特性。

对内通道中的热晕效应问题，完整求解流场与光场的能量耦合方程是一个非常有意义而又亟待解决的研究课题。借助流体力学模拟软件Fluent，通过解耦求解光传输方程和流体力学方程的方法，建立了较为完整的流场与光场耦合相互作用仿真平台。编写用户自定义函数，完成初始流场参数的读取，并进行光传输计算；将计算得到的光能以能量源项的形式添加到流场能量方程中去；借助现有的流场分析软件Fluent，对流场方程进行求解，并转入下一时间步的计算。对横截面为圆形的直管道结构，理论近似计算得到的结果与数值仿真平台计算得到的结果基本一致。

介绍了一种干涉波面的Zernike多项式拟合方法,该方法从构造的正规方程入手并对其进行逐步回归分析,从众多的Zernike多项式模式中选取影响显著的模式.采用仿真波前对本文提出的波面拟合方法进行了验证,结果表明该方法可以得到干涉波面的最优模式组合,有效提高波面拟合的精度,拟合的PV和RMS相对误差仅为1.11%和0.07%.