为了有效地提高星模拟器的精度，针对经典星间角距数学公式没有考虑光学系统像差影响的问题，提出了一种基于像差影响的星间角距修正方法，建立了相关的数学模型并推导了相应的数学公式。并以球幕投影的星模拟器平台为例进行分析和实验测试，结合所建立的星间角距数学模型，对各星点的方位角和俯仰角进行曲线拟合，得到像差影响的星点位置误差拟合曲线，从而完成星间角距修正。实验结果表明，修正前星间角距误差为27.56″，修正后星间角距误差为16.96″，相对于修正前减小了10.60″。本文方法为有效提高星模拟器的仿真精度提供了理论基础。

为实现星敏感器在J波段对3等恒星进行全天时高精度探测，采用被动消热差设计方法，根据光学系统与结构材料的热差性能差异，进行匹配优化实现镜头消热差，设计完成了一种大相对孔径全天时星敏感器光学系统。针对恒星在该波段下的指标进行分析，确定光学系统焦距为84 mm，F数为1.4，工作谱段范围为1.1~1.4 μm，视场角为8.4°。在光学系统设计过程中选取常用光学材料和镜筒材料，通过改变各透镜形状，合理匹配各镜片之间的光焦度，从而实现被动补偿无热化设计。优化设计完成后的光学系统在高低温（-40 ℃~+60 ℃）及真空条件下，当离焦0.02 mm后，弥散斑尺寸优于30 μm，色畸变小于0.018 mm。星敏感器内部采用表面发黑处理，遮光罩采用非等间距布局设计，表面采用一款具有较高太阳吸收率的SB-3A国产消光漆进行涂黑，可以在保证效果的情况下有效减轻重量，遮光罩内档光环采用16°斜角，可以保证较好的杂散光抑制能力。利用Tracepro软件对光机系统的杂散光进行了仿真分析，分析结果表明，视场内由目标产生杂散光是目标强度的3×10^-5，视场外杂散光强度由10^-2量级迅速下降，18°以外杂散光强度为视场外强光的10^-4以下。地面观星试验实现了对3等星全天时探测，验证了该光学系统设计的合理性。

基于柔性铰链结构支撑和音圈电机驱动的两轴快速反射镜是一个两输入两输出强耦合系统，X轴和Y轴间的耦合大幅降低了反射镜的定位精度，采用传统的PID控制算法很难实现高精度的解耦控制。针对中心对称和轴对称结构形式的两轴快速反射镜，理论分析了两轴快速反射镜耦合来源—直流耦合分量和非直流耦合分量；建立了X轴和Y轴间的耦合物理模型；提出的双前馈+双神经网络自适应解耦控制算法分别补偿直流耦合分量和非直流耦合分量。实验结果表明：该控制算法与传统的PID控制算法相比，耦合度从5%左右降低到1.0‰以内，从而定位精度从2.5%左右提高到0.5‰以内。

为了研究现有非视域算法在不同反射特性下的性能，对非视域成像过程进行研究，选取基于物理渲染的双向分布函数，建立拟合真实环境的仿真系统.对目前非视域成像领域的频率波数域算法与光锥变换算法，进行仿真重建实验.研究了以上两种算法在不同粗糙度、入射角度、噪声等条件下重建的性能.仿真结果表明：反射特性的变化对光锥变换算法影响较大；噪声对频率波数域算法影响较大.基于实验结果的分析，改进频率波数域算法，仅利用测量数据的相位信息进行非视域重建.改进算法较好地重建了不同反射特性的目标物体，为进一步探究算法提供帮助.

基于外视场拼接原理，研制一套大视场中波红外原理样机。设计一制冷型中波红外光学系统。采用光学系统出瞳与冷屏重合的二次成像结构形式，保证系统具有100%冷光阑效率。工作波段为3.7～4.8 μm，焦距为40 mm，相对孔径为1:2，全视场角为21.74°×17.46°（27.88°），系统总长145 mm。采用孔/反射镜分时成像的外视场拼接，实现2×1视场扩展。设计结果表明：在空间频率21 lp/mm处，轴外视场MTF>0.68，接近衍射极限。系统结构紧凑，成像质量较高。利用原理样机完成可行性和合理性验证。