合成孔径激光雷达具有成像分辨率与探测距离无关的特点。与微波相比,激光波长至少小3个数量级,因此能实现更高分辨率的成像,但是波长更短时成像更容易受系统自身引入的相位误差的影响,从而导致成像模糊。为了消除该误差对成像的影响,提出采用光学锁相环(OPLL)技术抑制编码合成孔径激光雷达的系统随机相位噪声。在发射端,激光信号经编码信号驱动的电光调制器调制后用于探测目标;在接收端,对接收到的回波信号与本振光进行正交解调。所提出的基于OPLL的编码合成孔径激光雷达工作在1550 nm波段,调制带宽为1.25 GHz,脉冲重复频率最高可达1.2 MHz/s。实验结果表明,在没有OPLL时,系统随机相位波动大于100 rad,采用OPLL后,系统内部相位稳定度优于0.1 rad,大幅度提高了系统自身的相位稳定度和方位向合成成像精度。

对地球模拟器进行光学精密校准是保证双圆锥扫描红外地平仪单机地面性能测试的必要前提。采用两台电子经纬仪建立三维坐标实时测量系统, 实现对双圆锥扫描红外地平仪地球模拟器的精密光学校准。根据理论设计值作为参考值, 与实际测量值进行比较, 反复放样测量, 进而调整地球模拟器的冷热边界, 调校精度可使地球模拟器边界特征点坐标的定位误差控制在 0.2 mm之内。高精度位置控制保证了双圆锥扫描红外地平仪高精度的噪声等效角性能测试, 可以保证噪声等效角 (3σ)控制在 0.07°以下。

针对适用于双圆锥扫描红外地平仪地面检测体积相对较大的地球模拟器, 使用两台电子经纬仪建立三维坐标测量系统, 采用全测角的方法计算并实时显示被测点的三维坐标值, 可以大大提高光学校准精度。基于坐标值的计算以及地球模拟器的模拟原理, 首先对地球模拟器进行精密校准, 然后基于误差传递公式计算直角坐标的校准测试误差, 对光学校准精度进行分析, 最终实现红外地球敏感器姿态角测量的误差分析。计算与实际测量结果表明, 通过使用实时三维测量系统对地球模拟器进行精密校准后, 双圆锥扫描红外地平仪的姿态角模拟测试误差可降低到0.01°以下。验证了该测量系统在大型航天地面检测设备中的有效性与实用性。

从发光二极管(LED)的发光原理及封装结构出发, 研究了入射角大于全反射临界角而引起的全反射损失对LED封装光能提取效率的影响。通过简化LED结构, 建立数学参数模型, 寻求LED光能提取率与半球形透镜的半径和折射率的数值关系。研究发现LED光学效率与半球形透镜折射率和半径呈特定的非线性关系, 该结论通过Lighttools软件仿真得到验证。

具有特定视场的动态可见光目标模拟器是可见光成像系统测试与评估的关键设备，该模拟器的准直投影光学系统决定了基于数字微镜阵列 (DMD)的动态景象投射器的性能。根据成像系统测试与评估需求，本文对可见光准直投影光学系统进行设计。基于对投影光学系统的参数计算，设计了视场 58°的大视场可见光目标模拟器光学系统。将设计结果与成像光学系统进行匹配仿真，获得了良好的配合效果。通过对所研制的系统进行测试，实验结果表明所设计的光学系统完全满足模拟器的要求和对动态场景的仿真需求。

长波红外地平仪光学系统受空间应用环境的影响很大, 环境温度的变化会引起光学系统的离焦效应, 通过理论计算长波红外光学系统的温度适用范围, 光学设计结果仿真在该温度范围内光学系统的成像质量, 实际光机结构设计时考虑到光学系统的离焦补偿, 实现长波红外光学系统的无热化设计。

对红外目标的红外辐射特性进行了分析计算，提出了在Visualc＋＋6.0环境下利用OpenGLAPI对空间目标红外辐射特性进行仿真的方法。针对假定目标给出了该目标在不同观察方向上的辐射强度并据此生成灰度图像，并利用上海技术物理研究所自行研制的128×128像素电阻阵列红外景象转换器进行了仿真实验，取得了实验结果。对红外目标的红外辐射特性仿真进行研究，为红外景象模拟提供基础。

介绍了傅氏轮廓术的基本原理，通过仿真与调相频谱分析，提出了一种新的自适应基频带通滤波器算法。利用此算法设计出了基频带通滤波器并用于傅氏轮廓术的位相提取。结果表明，相对于非自适应性的滤波器，使用本文设计的滤波器其三维面型测量精度可以提高5％，并且具有稳定的重复测量精度，在不受主观因素的影响下实现了实时三维面形重建。以螺纹钢面型为例进行了位相提取实验，实验中计算了面型测量精度，并与理论仿真精度进行比对与分析，得出的实验结果与理论仿真结果相一致，验证了该算法的有效性。

根据非制冷焦平面阵列(FPA)探测器性能参数以及所需探测红外弱目标的大小与探测距离，计算并设置了系统参数，设计并研制了与之相匹配的长波红外光学系统，实现了对红外弱目标的探测。该红外光学系统基于6°×6°视场角，采用像方远心光路来实现。分析与计算结果表明，采用衍射非球面设计的由两片Ge镜片组成的红外弱目标探测光学系统具有重量轻、系统能量传输效率高和像质优良的优势。与三片球面Ge-AMTIR1-Ge红外光学系统相比，系统质量轻25%，能量传输效率高7%；与常规非球面Ge-Ge透镜系统相比，像质改善50%。比较结果显示，可见衍射非球面光学元件在红外弱目标探测系统中具有较好的应用前景。