为了给航空动平台激光通信的附面层效应校正系统提供验证条件，设计了一种基于液晶空间光调制器来模拟附面层效应的模拟器。首先，从几何光学的角度分析附面层效应，将其等效为负透镜。然后，利用计算机对不同飞行条件下附面层效应与等效负透镜焦距之间的关系进行数值分析仿真。之后在液晶空间光调制器上导入不同焦距透镜的相位灰度图以实现变焦透镜的功能，通过改变变焦透镜的焦距来模拟航空平台不同飞行条件下的附面层效应。最后通过实验验证模拟的准确性，在环境温度下，模拟附面层效应的液晶空间光调制器得到的光斑图像由红外相机拍摄，之后进行图像处理分析实际光斑大小，并与理论计算光斑大小比较，得出误差曲线图。研究结果显示，基于液晶空间光调制器模拟附面层效应引起散斑效应的理论光斑大小与实际光斑大小的均方根误差为0.043 75，验证了所提出的方法的可行性和有效性。

长波红外变焦光学系统相对于中波红外变焦光学系统存在可用材料少、系统高低温环境无热化难度大等难题。本文采用机械补偿变焦技术实现光学多视场变焦，利用主动补偿的消热差技术使系统在−40 °C~+65 °C温度范围内能够清晰成像，实现四片透镜架构的制冷型长波红外四视场光学系统设计。该光学系统四视场焦距分别为25 mm、109 mm、275 mm、400 mm，变倍比为15，光学系统包络尺寸为268 mm（长）×200 mm（宽），光学零件总质量为618 g。该光学系统具有质量轻、性能高、成本低等SWaP-C特征，在辅助导航、搜索、跟踪等安防领域中具有较大应用潜力。

为实现空间目标的探测与精确识别，设计了一种基于连续变焦结构兼顾大孔径和长焦距的探测成像一体化光学系统，实现了短焦大视场探测，长焦小视场成像的目的。系统采用里奇-克列基昂（RC）结构加校正镜与变焦结构通过光瞳匹配进行结合的方式，使用两片反射镜压缩光路，系统工作于450~850 nm的光谱范围内，焦距为700~3 500 mm；探测端焦距为700 mm，F数为2.5，视场角为0.5°×0.5°；成像端焦距为1 400~3 500 mm，F数为5~12.5，视场角为0.18°×0.18°。该系统具有探测能力强、成像质量佳、系统总长短、变焦凸轮曲线升角小等优点。

连续变焦系统是一种能够进行连续视场变换的光电成像装置，可对目标进行连续探测和识别，具有快速、稳定的特点。针对其高精度，高稳定控制需求，提出一种分数阶PID（proportion integration differentiation）控制器设计方法，该方法利用内模控制策略构造含有3个整定参数的分数阶PID控制器，且这3个参数通过给定系统穿越频率和相位裕度获得，大大简化了分数阶PID控制器的设计，同时提高了控制器的可实现性。在Matlab平台同传统整数阶PID进行了控制效果对比，仿真结果表明：分数阶PID控制器将稳态误差由0.1 mm提升至0 mm，具有抗干扰性强、鲁棒性强、数字实现后无超调、静差小的特点。最后将数字分数阶PID应用于实际的连续变焦系统，系统可获得清晰稳定的图像，验证了控制策略的有效性。

设计了一种OPO激光测距机发射端变倍扩束系统。该系统采用两级激光扩束，将OPO（optical parametric oscillation）激光器出射光束发散角二次压缩，一级激光扩束为变倍扩束，二级激光扩束为定倍扩束，使出射光束发散角可连续调节，以实现激光测距机大范围测距，提高了激光测距过程的人眼安全性。OPO激光器出射光束发散角为6 mrad，出射光束直径为?7 mm，扩束倍率6~12倍，其中，一级激光变倍扩束倍率为2~4倍，二级激光扩束倍率为3倍。设计的光学系统满足较大口径光束入射，且具有变倍扩束功能，突破了现有变倍扩束系统仅能实现小口径光束入射的限制。最终设计的变倍扩束系统总长度为285 mm，结构简单，利于工程化。

在诸如火星探测等极端环境原位检测应用中，共轴变焦距激光诱导击穿光谱技术发挥了重要作用。为了充分发挥变焦系统的应用效能，距离校正必不可少。现有距离校正方法多为针对单一场景的经验算法，适用范围有限。因此，提出一种基于等离子体物理的参考脉冲诊断法，无需标定设备响应即可诊断等离子体温度，进而实现变焦距定量分析。对比了所提出算法与Saha-Boltzmann法的诊断结果，最大相对误差小于8%。采用13块铝基标准样品进行了变焦距定量实验，9块于2 m处建立定量模型，4块分别于1.5、2、2.4、2.7、3 m处进行检测。反演结果中含量超过1%的元素，11号样品中Si的相对误差最大，为16%，其余大部分小于8%；含量低于1%的元素，大部分相对误差在10%~30%之间，验证了所提出的方法能够实现变焦距激光诱导击穿光谱定量分析。