不同于国际上其他空间项目采用光栅切换的光谱获取方式，中国空间巡天望远镜采用近焦面拼接光栅的方式获取大视场、宽波段无缝光谱，波长覆盖范围为250～1000 nm，光谱分辨率R≥200。国内紫外透射衍射光栅的天文应用尚在起步阶段，制作难度高，且不能从国外获得。经过多年努力，光栅性能在近期获得了较大提升。本文针对紫外光栅的科学应用性能和使用条件，分析了衍射光栅制作参数的优化，给出了衍射效率随入射角、入射光偏振态以及光栅槽形结构参数的变化规律。相关数据对在轨流量定标具有借鉴价值。通过选用不同的光栅结构参数对衍射效率特性进行分析，发现了紫外光栅峰值波长与顶角投影在每个周期上的比值之间的近似线性表达关系。本文讨论了满足科学需求的参数许可域，并将其用于控制光栅制作参数。多次试验后，光栅槽形结构参数和形状得到了精确控制，获得了性能优异的衍射光栅。制作的光栅线密度为333 line/mm，闪耀角为12.51°，峰值效率波长控制在315 nm，紫外波段实测峰值衍射效率为72.3%，平均效率为65.1%。该光栅的槽形、波前质量等均控制在较高水平，衍射波前质量均方根(RMS)达到0.06λ，峰谷值(PV值)达到了0.33λ。采用该光栅可获得良好的成像质量。

为了提高LAMOST-HRS(Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopy Telescope-High Resolution Spectrograph)光谱分辨率以及光谱仪效率, 并建立一套可在仪器概念设计阶段分析杂散光的方法, 开展了在不进行BSDF测量的前提下, 对系统杂散光建模、分析的研究。首先根据粗糙度测量数据计算关键参数, 构建Harvey散射模型。接着通过显微镜观察光学面, 由MATLAB进行图像处理获取最大颗粒直径, 构建颗粒污染散射模型。然后导入光谱仪镀膜、光学元件、机械结构。对机械结构进行简化以提高分析效率。最后预估杂散光背景, 分析杂散光路径与组成。结果表明, LAMOST-HRS杂散光主要由光学面散射引起, 杂散辐射率为2.55%, 信噪比为16.01 dB, 达到设计指标要求。

为了充分利用LAMOST望远镜, 实现对银河系不同星族的分布与整体性研究, 以及极端贫金属星元素丰度测定等科学目标, 研制了LAMOST高分辨率光谱仪, 光谱分辨率R≥30 000, 光谱覆盖范围380~740 nm。在充分考虑台址因素与现有条件后, 采用中继倍率07倍的准白瞳设计方案, 使用大芯径光纤、拼接大光栅、棱栅组合式横向色散器、缝前像切分器等措施来满足性能要求。进行了效率估算与杂散光分析, 光谱仪本体效率峰值大于30%, 杂散光照度占CCD总照度的255%, 信噪比为1601 dB。试运行阶段实测了太阳光谱, 温度稳定性达到±003 ℃, 光谱仪效率峰值约为335%, 满足稳定、高效的运行要求。

利用光学设计软件ZEMAX和Python软件联合实现空间引力波望远镜光程差(optical path difference, OPD)精密求解; 通过动态数据交换(dynamic data exchange, DDE)实现ZEMAX软件和Python软件数据交换: 首先, Python软件对有限元分析后望远镜镜面数据进行处理, 并将分析结果通过DDE传输给ZEMAX进行光线追迹; 其次, ZEMAX软件对追迹后的光线坐标再通过DDE传回Python软件; 最后, Python软件通过全局坐标系, 计算刚体平移带来的光程差和波前的变化。模拟1 mK温度变化下引力波望远镜的受力变形, 通过ZEMAX软件和Python软件求解空间引力波望远镜光程差和波前变化, 结果表明光程差精度为1e-13米量级, 完全可以满足望远镜皮米级稳定性精度要求。本研究可为后续引力波望远镜光机结构方案设计中光程差分析提供技术参考。

以热光学分析为基础, 对复杂环境下改正镜作为光学窗口的玻璃厚度进行了优化设计。对改正镜的强度及其所处的热环境进行了分析, 将温度场映射到结构模型中, 利用有限元计算改正镜在热-力耦合情况下的改正镜的变形量和面形数据, 对正镜面形数据进行拟合和处理, 最后将处理后的改正镜面形数据导入光学设计方案中, 分析改正镜厚度对光谱仪性能影响。结果表明改正镜厚度应该不小于10 mm; 当改正镜厚度为15 mm时, 改正镜受热力学影响可以忽略。因此改正镜作为光学窗口既能满足强度和可靠性要求, 又能满足光谱仪性能指标, 为窗口的设计提供了依据。

通过实验研究了阈噪比(TNR)不变时信噪比(SNR)对激光雷达测距特性的影响，结果表明，信噪比远高于阈噪比时，激光雷达测距数据的离散分布服从正态分布，且随着信噪比的降低，测距数据离散分布逐渐偏离正态分布，呈现上升沿陡下降沿缓的形式；当信噪比接近阈噪比时，测距数据的离散分布又逐渐趋向于正态分布，但此时激光雷达的漏测率迅速增加。在此基础上，采用置信概率68.2%对应置信区间的一半来衡量激光雷达的测距精度，并给出了测距精度计算方法，它能更准确地表征激光雷达测距数据的密集度，具有更好的普适性。

为了研究多脉冲视频累积提高激光回波探测信噪比的途径的有效性，以噪声的统计特性为基础，理论分析了多脉冲视频累积提高激光回波探测信噪比的基本原理，并通过数值仿真和实验验证了视频累积提高激光探测信噪比的可行性。结果表明，当脉冲累积数N较小时，通过多脉冲视频累积可以提高激光回波探测的信噪比N倍，与视频累积结论一致；但当N大于一定值之后，由于系统带宽、A/D转换精度和采样率等因素的影响，使信噪比随累积脉冲数的变化明显偏离了N的指数规律。该研究为进一步通过多脉冲视频积累探测改善激光回波探测的信噪比，实现强噪声背景下的弱信号检测提供了理论和实验基础，对提高半导体激光测距系统的探测能力有着直接的指导意义。

以激光雷达回波信号的频谱特征为基础，提出了用信号延时叠加来提高激光雷达探测信噪比的方法.通过实验测量获取了大量激光雷达回波信号，并以此为基础，讨论了信号延时叠加提高激光雷达探测信噪比的可行性.结果表明：在系统带宽50 MHz、回波脉宽30 ns的条件下，通过信号延时叠加可提高激光雷达的探测信噪比在40%以上，且存在最佳的延时时间.