针对双编码快照式光谱偏振成像系统偏振效应校正需求，提出多参量模型引导的偏振优化方法，建立基于数字微镜阵列（DMD）、棱镜-光栅-棱镜（PGP）、微偏振片阵列探测器（MPA）以及多膜层系的光谱偏振成像系统全链路偏振效应模型，分析部分偏振光入射时光谱偏振成像系统的二向衰减，揭示入射光波长、偏振度与系统偏振效应的耦合机理。通过有针对性地控制透镜的折射率、入射角，光栅折射率、常数，棱镜折射率、顶角，多层膜复折射率、膜层厚度等参量，在谱线弯曲满足重建要求的前提下实现对光谱偏振成像系统偏振效应的优化。仿真结果表明，优化后系统SSIM＞0.8、系统偏振效应相对误差<4%，与优化前相比偏振效应降低至少6%。当入射光偏振度恒定时，系统偏振效应与波长成反比。通过实验获取单次曝光下典型材料的光谱偏振重建图像，金属偏振度相对误差提升至少14.7%，塑料偏振度相对误差提升至少63.6%。验证了所提偏振优化方法的必要性和可行性。本研究为双编码快照式光谱偏振成像系统多维数据的高精度获取奠定了理论基础。

针对传统机载红外探测潜艇热尾流的计算方法未考虑温度、密度分层海水等实际海况，难以精准分析潜艇热尾流红外探测性能的问题。文中基于有限元分析方法，结合海面红外辐射模型和大气传输模型，构建出尾迹从浮升扩散、大气衰减到传感器探测的全链路数理模型，并应用模型开展全尺寸潜艇模型的仿真，实现在温度、密度分层海水情况下对潜艇热尾流红外探测性能的精准分析。结果表明：海水温度、密度分层条件对于潜艇尾迹的仿真和反演精度至关重要，当其他条件都相同时，海水温度、密度分层与不分层仿真出了截然相反的结果，不分层条件下海面为热尾迹，而分层条件下海面却为冷尾迹，直接影响对潜艇热尾迹反演精度。相比于海水分层，不分层情况下潜艇的反演误差达到了238.2 m，水面的尾迹温差不但相差了0.152 K，还呈现出了冷尾迹的现象。文中的研究对机载红外设备发现潜艇航行尾流特性的高精度识别反演具有重要意义。

相控阵器件具有色散的作用，而激光器中心波长通常会产生一定漂移，也具有一定光谱宽度，导致大角度偏转情况下，激光光束位置与光功率分布发生改变。针对这一问题，通过液晶空间光调制器与级联液晶偏振光栅两种相控阵器件色散理论，推导出组合液晶相控阵器件波长与坐标之间的关系公式。结合激光光源的光功率谱分布与单模激光的截面功率分布公式，推导出高斯光束经过组合液晶相控阵器件后的光功率分布公式。针对公式计算上的困难给出了简易计算方法。结合特定实例，计算出1 000 km外色散特性以及波长漂移引起的位置偏差，色散特性以及光谱宽度引起的光束截面功率分布。根据设定系统参数与偏转角度分析了液晶相控阵器件色散特性对能量收集的影响，分析结果表明：激光光束截面功率向色散方向延伸，偏转角度越大，色散引起的变化越严重，中心位置偏移越严重，峰值位置功率密度越低。

针对含有自由曲面的空间光学系统中偏振像差对探测精度和成像质量的影响，基于琼斯表示法，提出以条纹泽尼克多项式为表征函数的自由曲面离轴光学系统偏振像差分析方法，构建了自由曲面反射光学系统偏振像差解析模型，分析了条纹泽尼克多项式低阶系数对视场离轴光学系统偏振像差分布的影响；通过全视场偏振光线追迹仿真及系统引入自由曲面前后的对比，揭示了自由曲面对离轴光学系统相位像差、相位延迟和二向衰减3种偏振像差的作用规律；最后，设计了含有自由曲面的大视场离轴三反偏振成像光学系统，并分析了系统全视场的偏振像差。分析结果表明：相位像差分布与自由曲面面形矢高分布一致，自由曲面引起的二向衰减和相位延迟占系统总体二向衰减和相位延迟的52.5%。掌握这种偏振特性变化对于设计深空天文望远镜等甚高精度的光学系统具有重要意义。

正交级联液晶偏振光栅可实现光束大范围偏转，在空间激光通信与激光雷达等领域具有广阔的应用前景，其大部分应用领域均需要同时发射激光与接收激光，如何解决发射光与接收光分离的问题尚未见报道。针对这一问题，文中根据1/4波片、1/2波片以及液晶偏振光栅理论推导了线偏振光源经过被动液晶偏振光栅层以及正交级联液晶偏振光栅后偏振态的变化，验证了出射光偏振态与光束偏转角度的可逆性。采用偏振分光棱镜、1/4波片、1/2波片、正交级联液晶偏振光栅等器件设计了一种可实现发射光与接收光偏转与分离的光学结构，构建了测试系统，最后通过测试结果证明了理论的正确性与结构的适用性。