人类的探索欲望及数千年来的不断积累促成了20世纪60年代的四大天文发现，而大气层对天文观测的一些根本性限制促使人们在20世纪冲出地球进入太空。在宽广的波段进行天文观测有着极为苛刻的要求，新猜想和模型的提出也要求进行新的验证，这些都促进了观测设备及器件的性能趋于极致。本文旨在对此进行简要的回顾分析并列举一些典型实例，侧重考察其探测波段、主镜或天线的口径、探测仪器及所用器件的类型和性能等，以便进行纵向和横向的比较，温故而思新。

随着光纤技术的发展, 其在天文观测仪器中得到了广泛的应用。在天文观测仪器中光纤数目通常达到几千根, 当光纤空间排布的间距过小时, 输出光谱容易产生混叠的现象。在不改变结构的前提下, 用软件的方法实现混叠光谱的分离, 假定输出光谱的强度分布是高斯函数形式, 应用高斯函数拟合法实现了混叠光谱的分离。与光纤间距较宽时的输出光谱进行对比, 得到了较好的分离效果, 最小均方差为 1.43。结果表明该方法应用在混叠光谱的分离中是可行的。

针对前照式CMOS可见光探测器填充因子小于1而引起的点目标在像面成像时输出能量随位置波动的问题,搭建了像元内响应测试系统。根据像元内部设计结构建立了在亚像素尺度上表征响应分布的像元内响应模型。使用两个不同半径的小孔对可见光探测器中的4个像元进行了测试。移动小孔的位置,记录小孔成像在像面不同位置时像元输出的响应值,使用拟合方法对像元内响应函数及点目标能量的高斯函数的半峰全宽进行了解算。实验结果表明,通过求解探测器的像元内响应函数,可对像元内灵敏度的空间分布特征进行描述。该测试与解算方法可为同类型探测器响应的微观表征提供有益参考。

提出了一种弹道导弹中融合了天文观测和惯性导航数据的姿态修正算法, 以姿态误差角直接作为卡尔曼滤波器量测量, 推导出组合导航系统线性化量测方程, 并在构建的弹道导弹轨迹仿真器的基础上进行了仿真验证。仿真结果表明, 所提出的融合了天文观测数据和惯性导航信息的姿态组合导航算法, 能够有效减小导弹定姿误差, 对导弹姿态测量精度的提高有一定推进作用。

针对国内硬X射线天文观测的需求,研究了1~30 keV能段圆锥嵌套Wolter-I型X射线天文望远镜的光学设计,推导了嵌套层之间的结构递推关系,给出了合理的望远镜初始结构。在最内层和最外层之间,设计了6组W/B4C宽带非周期多层膜,模拟得到系统的有效集光面积和分辨力。理论有效集光面积达到127 cm2(在2 keV处)和71 cm2(在30 keV处),系统角分辨力约10″。系统实际成像质量还受到公差的影响,引起像质下降的公差主要有辐条位置公差、镜面位置公差和镜面面形公差。目前演示实验方便改善的公差是辐条位置公差,给出了此公差的计算方法并对系统进行光线追迹,得到了成像点列图和分辨力改变情况。辐条位置公差从±15 μm缩小到±3 μm后,系统分辨力由1′提高到13″。

为利用相机进行天文观测以实现高精度的相机姿态测量，必须先对相机参数进行精确标定。针对传统相机标定方法工作距离有限的问题，提出了以恒星为控制点的相机标定方法，根据球面天文学方法计算观测时刻控制点的世界坐标，利用摄像测量原理建立了恒星观测模型，求解相机的内外参数并分析了误差因素。实验结果表明，该标定方法在不依赖于精密、复杂的外部设备情况下可达到较高精度，并具有较强的抗噪声能力。将标定结果用于天文观测并求解相机姿态，航向角和俯仰角的解算重复性优于10″，能够满足高精度姿态测量的需求。该方法可进一步推广应用于星敏感器的标定。

为了有效消除帧转移型相机的Smear效应，针对其成像机理及特性，提出了一种基于背景估计的适用于序列图像中Smear效应的消除方法。该方法通过对含有Smear效应的原始图像灰度分布进行统计分析，自适应判定Smear效应的发生位置; 然后，采用截尾均值滤波(ATMF)技术高精度估计Smear效应的强度; 最后，通过差分的方式消除Smear效应。实验结果表明，该方法在有效保留弱小目标和背景信息的基础上，可较好地消除图像中的单个或多个Smear效应，提高了图像的视觉质量，基本满足天文观测相机的观测要求。