气流扰动是决定大口径、长焦距光学系统波前检测精度的重要因素，进而影响光学系统装调的效率和质量。针对该问题，提出采取主动随机送风来抑制气流扰动对波前检测的影响。实验结果表明，通过主动随机送风，可以提高系统波前检测的稳定性，Zernike系数测量结果标准差由0.04降低到0.01以下。进一步地，在主动随机送风条件下完成了一个0.5 m有效通光口径，6 m焦距的离轴三反消像散光学系统的计算机辅助装调。经过两轮迭代，系统波像差RMS平均值由0.49λ降低到0.086λ，满足系统像质要求。通过主动随机送风可以有效地抑制气流扰动对大口径、长焦距光学系统波前检测的影响，从而为计算机辅助装调提供稳定、正确的波前数据，提高了系统装调的效率和质量，这对于研制大口径光学系统具有重要意义。

在深空探测中，为了充分利用有限的空间和视场，提出了一台相机同时含有三片线阵TDI CCD思路。为了获得高分辨率、高信噪比的遥感图像数据，针对相机成像链路，分析了影响高分相机信噪比的关键因素，提出了成像系统的串扰模型，并针对各种影响要素提出了改进措施。首先，完全独立设计各个通道，减少通道间的电路耦合。其次，调整垂直转移驱动信号的时间常数，以减小TDI CCD芯片内部的串扰噪声。最后，通过三片探测器物理隔离，减小噪声的近场耦合。对天问一号高分相机进行辐射定标试验，试验结果表明：模拟火星轨道条件，在典型工况条件，太阳高角30度、地面反照率0.2时，TDI CCD全色谱段在积分级数为32级的情况下信噪比即可达到最高115.1倍，满足火星探测的指标要求。

由于太阳高度角和地面景物反射率等条件的变化，天问一号火星环绕器光学成像载荷在轨工作期间入瞳辐亮度变化范围很大，为了达到最佳的成像效果，需要光学成像载荷具备在轨自适应调整增益的能力。太阳高度角是设置时间延时积分电荷耦合器件积分级数的重要参数之一，积分级数是调整增益需要调整的主要参数。针对在轨工作期间太阳高度角实时变化、星历表文件较大等问题，本文提出一种基于傅里叶拟合的火星环绕器星下点太阳高度角在轨实时计算方法。首先，基于最小二乘原理采用8阶傅里叶逼近对火星惯性坐标系下太阳矢量的x，y，z坐标进行拟合，获得以时间作为变量的拟合方程。其次，根据制导、导航与控制系统发送的轨道参数获得火星惯性坐标系下环绕器的实时坐标。最后，基于夹角余弦公式即可在轨实时计算星下点太阳高度角。实验结果表明，在协调世界时2021-01-01 00：00：00至2024-01-01 00：00：00期间，采用本文方法获得的星下点太阳高度角实时计算结果最大绝对误差小于0.3°。满足天问一号高分辨率相机时间延时积分电荷耦合器件积分级数设置对太阳高度角计算结果的精度要求。基于该方法，天问一号高分辨率相机获取的火星影像细节丰富，亮度、对比度合理。

天问一号高分相机采用了离轴三反光学系统，指标精度高，结构复杂，研制周期短。鉴于上述要求，对离轴三反光学系统的计算机辅助装调技术进行了深入研究，并应用到天问一号高分相机主光机结构的装调过程中，利用计算机辅助装调技术使天问一号高分相机主光机结构的装调指标迅速收敛。各个视场的平均系统波像差优于λ/14，在特征频率57.1 lp/mm的平均传递函数0.381。此外，对主光机结构开展了一系列的环境模拟试验，包括力学应力筛选试验、高低温循环试验和失重环境适应性试验。在经历试验后，各技术指标均变化很小，基本满足总体设计指标要求。天问一号成功发射，传回了清晰的火星照片，进一步验证了计算机辅助装调技术的装调效果。

为了使天问一号有效载荷高分辨率相机在轨工作期间获取到高质量图像，对高分辨率相机成像参数的设置进行说明。结合实验室定标测试结果，给出了相机在轨工作默认参数以及不同地面反射率和不同太阳高度角下的成像参数。首先，根据大气辐射传输模型计算出各谱段在相机入瞳处的辐亮度。接着，利用光电转换模型计算出CCD探测器信号输出电荷值。然后，在满足图像信噪比大于100的系统要求下，计算出相机成像参数。最后，在实验室条件下进行相机光谱定标和辐射定标测试及定标误差分析。实验结果表明：高分辨率相机的视频响应曲线呈线性关系，图像灰度值和成像参数呈线性关系，线性拟合相关系数均在0.999以上，线阵CCD各谱段响应非均匀性均不超过1%，典型照明条件下信噪比不低于100倍，相对辐射定标不确定度优于3%，绝对辐射定标不确定度优于7%。理论计算与实验室定标测试结果基本符合，成像参数设计合理，定标测试结果满足系统要求。

为获取高信噪比、明暗度适宜的火表图像，对天问一号火星高分相机CMOS探测器曝光参数开展了详细设计，并对卷帘效应畸变进行了量化分析与校正。首先建立了CMOS探测器光电响应模型，对比了曝光参数中曝光时间与PGA增益对成像信噪比的影响，确定曝光时间为优先调节参量。在分析曝光时间约束条件、明确靶面辐照度计算方法后，给出了不同火表反射率、太阳天顶角及轨道高度参数下的曝光时间设计结果与成像信噪比。最后针对CMOS探测器卷帘畸变机理进行分析，给出了校正方法及理论校正精度。仿真实验结果表明：成像信噪比在非轨道像移受限区域保持在48.28 dB左右，在受限区域则逐步降低，反射率取0.1时最低值为32.45 dB，典型辐照环境下成像信噪比为45.56 dB。根据实际轨道像移分析，CMOS探测器卷帘效应会造成数十像素倾斜畸变，在轨道像移测量误差不超过3.46‰前提下，所述方法校正后图像特征点位移量优于1个像素。

为了提高测量精度和测量效率，在火星高分相机部分工件三维形貌的测量过程中采用了结构光编码测量技术。传统的结构光编码测量技术采用正弦相移对称结合格雷码的方法，极易产生周期错位误差，严重影响测量精度。为了从原理上消除周期错位误差，提出了非对称结构光编码测量技术。首先，提出对四步正弦相移进行区域编码的概念和方法；然后，将正弦相移与格雷码进行非对称组合，通过格雷码和区域码的双重约束，将周期错位误差由一个格雷码周期的减小至一个像元。3ds Max仿真测试结果和实物测试结果表明：与传统测量技术相比较，非对称结构光编码测量技术的最大测量误差相对减小了一个数量级，均方测量误差相对减小了70%。非对称式结构光编码测量技术有效消除了周期错位误差，大幅提高了三维测量精度。

在快速反射镜柔性铰链优化设计中，为保障反射镜精度和稳定性，应尽量提高柔性铰链工作轴转动柔度和非工作轴转动刚度。以某快速反射镜的椭圆弧柔性铰链为研究对象，首先利用最小二乘法和积分思想推导了三个转动轴的转动柔度公式，与有限元法对比，二者最大相对误差小于6.8%，解决了矩形截面扭转柔度积分过于复杂的问题；其次基于改进的非支配排序遗传算法（NSGA-II）对三个转动轴进行了多目标优化设计，达到设计指标，所得最优解和求解效率较传统算法有了明显提高，其中Pareto解求解效率较多岛遗传算法(MIGA)提高了14.3%，较粒子群算法(PSO)提高了25%；最后对NSGA-II算法所得最优解进行了有限元验证，结果表明二者最大相对误差小于6.5%，吻合较好。