针对航测相机对地摆扫成像过程中的动态像移问题，采用两镜望远系统的矢量像差理论，将次镜作为像移补偿元件，通过次镜多维运动实现航测相机的综合像移补偿。次镜在对像移进行补偿的过程中会发生偏心和倾斜，导致次镜离轴，影响成像质量，因此，建立了失调折反光学系统成像模型，研究次镜像差场偏移矢量与次镜失调量之间的关系，并分析次镜多维运动对成像质量的影响。为验证次镜多维运动的像移补偿能力，搭建实验平台对该航测相机进行了实验室内以及外场成像试验。结果表明，采用该像移补偿技术的航测相机动态分辨率可达74 lp/mm，且像移补偿精度优于0.5个像素，达到设计预期。

为研究面向不同测量对象且具有普适性的数控机床在机测量系统最佳测量区确定方法，选择球作为测量对象，分析了在机测量系统的工作原理及误差来源，利用BAS-BP神经网络建立了单项几何误差白化模型，同时建立了测量系统综合误差模型和球测量误差模型。研究了用于确定最佳测量区搜索寻优的差分优化布谷鸟（DE-CS）算法，进行了不同算法搜索性能对比，确定了算法最优性能参数。搭建了确定球最佳测量区的实验装置，进行了相应实验，对比了利用算法确定和实际测量得到的最佳测量位置的一致性。实验结果表明，利用上述方法搜索计算确定的面向球最佳测量区位置与实验测量确定的最佳测量区位置一致，最佳测量区为：430.783 mm≤X≤439.783 mm,-145.133 mm≤Y≤-136.133 mm和-268 mm≤Z≤-258 mm，实测最大误差最小值为3.1 μm，算法求解的误差也为整个测量空间的最小值0.710 7 μm，且可用于面向点、面等其他测量对象的最佳测量区确定，具有普适性，可用于确定在机测量系统的最佳测量区。

为了近距离清晰拍摄某高速运动目标的碰撞过程，研究了一种高帧频摄像系统。由于摄像系统的前端可能遭受碰撞碎片的损坏，研究了一种保护窗组件。针对成像单元的FPGA在极端高温+70 ℃时温度过高的问题，研究了一种导热装置。采用七组成像单元在顺序脉冲的控制下接续拍摄的方法，实现了5万帧/秒的高帧频成像。保护窗组件采用了三组保护窗玻璃自动移动更换且可自锁的形式，采用蜗轮蜗杆传动机构实现了大传动比驱动和自锁功能，采用霍尔传感器对保护窗的位置进行实时反馈。导热装置中间部分采用了柔性的高热导率石墨板，既有效地将FPGA的热量传导至主壳体上，又解决了装调节环节中刚性导热装置的过定位问题。对装配好的高帧频摄像系统进行了相关的力、热实验。实验结果表明，保护窗组件自锁和移动切换功能正常，高帧频摄像工作正常，实测拍摄帧频为50 050 帧/秒，满足近距离清晰拍摄某高速运动目标碰撞过程的要求，具备一定的防护能力和热环境适应能力。

为了解决具有强扰动的大型气候环境试验舱温度数据波动大、难以精确控制的问题，本文分析了试验舱温度结构组成、温度控制特点和热负荷扰动来源，提出了适用于大型试验舱温度精确控制的冷热端温度动态模糊PID协调控制算法，研究其控制原理及具体算法。同时提出了利用卡尔曼（Kalman）滤波的温度数据处理方法和基于艾伦（Allan）方差分析的控制效果评判方法。实验结果表明，Kalman 滤波可有效去除温度测量数据中热负荷扰动产生的偏差，更真实反映温度实际变化。本文研究的控制算法相较于传统PID控制算法其温度波动性较小、系统稳态响应时间较短，可以用于大型气候环境试验舱的温度精确控制。

为了提升自驱动关节臂坐标测量机（后简称为测量机）的测量精度与测量效率，针对其在线测量轨迹优化问题，提出一种基于粒子群算法的轨迹优化方法。首先，基于MDH参数法建立测量机正运动学模型，并利用S形加减法和匀速直线插补法进行混合轨迹规划。其次，以运行时间和运动平稳性为优化目标，利用粒子群算法进行轨迹优化。最后，在MATLAB、ADAMS环境下建立测量机模型进行标准球测量仿真分析，并基于搭建的测量机样机开展标准球测量实验。研究结果表明：采用基于粒子群算法对混合轨迹规划进行优化的方法能够保证测量机在工作时运行平稳，标准球测量时间由62.91 s减至57.35 s，标准球测量半径误差由0.057 1 mm降至0.042 3 mm。证实该轨迹优化方法能够有效降低测头振动，提高测量机在线测量精度和测量效率。

为了满足低照度环境下航空影像信息快速获取的需求，对一种低照度宽幅成像系统进行了研究。基于相机摆扫成像的工作模式，明确了采用大相对孔径低畸变的光学系统，配合真空制冷的低噪声高灵敏度CMOS探测器成像，并通过高速振镜进行扫描像移补偿的技术路线。详细阐述了相机机械构型的设计思路，总结了一套可工程应用的低照度成像能力计算方法。研究了振镜补偿像移的基本原理，并对相机主体框架进行了仿真分析计算。依据该设计和研究结果，完成了低照度宽幅航空相机的加工装配。该相机具有0.1 m （航高1 km）地面像元分辨率, 成像照度适应范围为10~100000 lx，并且在速高比≤0.04时，可实现3倍航高的大收容宽度。系统的成像质量优良，实测镜头在77 lp/mm时，中心视场传递函数大于0.45。实验室和外场飞行试验所获取的图像清晰，对比度和分辨率高，可以满足使用需求。同时，该相机实际包络尺寸为190 mm×140 mm×140 mm，质量仅为2800 g，具有轻小型的特点。

为了提高数控机床的加工精度，建立误差补偿模型。对温度影响下的数控机床XY工作台导轨系统各误差分量之间的误差相关性进行研究。首先，分析了XY工作台单向运动时各平动误差和角度误差的相关性和X向导轨系统二维阿贝误差的变化规律。然后，建立了Y轴导轨系统和X轴导轨系统误差相关性的阿贝误差计算模型。最后，分别进行了X轴导轨和Y轴导轨角度误差的相关性验证和导轨系统定位误差补偿效果对比实验。实验结果表明：利用工作台二维阿贝误差补偿后的定位误差2整体误差呈减小趋势，且比用传统方法补偿后的定位误差1最大相差3 µm左右，占补偿后的工作台总误差的三分之一。本文所建立的导轨系统二维阿贝误差模型更符合数控机床XY工作台误差的实际变化规律，利用该模型导轨进行的工作台联动定位误差补偿效果比传统补偿方法的修正效果更好，为实时补偿数控机床误差，提高机床加工精度和在机测量系统的测量精度打下理论基础。

建立了不同类型衍射元件对衍射效率的影响模型，比较了单层衍射元件、谐衍射元件和双层衍射元件之间衍射效率的差异，重点分析在红外双波段光学系统中应用双层衍射元件的突出优势，计算不同材料组合情况下双层元件的平均衍射效率，以此为基础设计一款适合于高空机载平台的折衍混合红外双波段双视场光学系统。大视场对应的地物分辨率为1.5 m@16 km，长焦、短焦分别为960 mm和480 mm，通过切换反射镜改变光路来实现变焦功能，保证变焦过程中系统的光轴稳定性。仿真结果表明在−40~60 ℃的大温差环境下，系统的MTF曲线平滑且接近衍射极限，RMS半径位于艾里斑半径以内，二元衍射面的最小特征尺寸为6.9 μm，设计结果满足工程使用要求。