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。

随着红外技术的快速发展，SWaP-C （尺寸小、质量轻、功耗低、成本低）概念已深入红外热像仪整机设计全过程。在非制冷连续变焦红外热像仪设计中，相对已模块化的非制冷探测器与成像电路、光学系统影响整机包络尺寸、产品质量及价格成本，因此设计一款总长短、质量轻、成本低、性能高的非制冷长波红外连续变焦光学系统将具有广阔的市场前景。非制冷长波红外连续变焦光学因相对孔径大、光学材料种类少等因素存在系统小型化和无热化设计难题，通过采用变F#设计方法约束物镜尺寸；利用三组联动变焦技术平衡像差、压缩系统总长；通过主动补偿的消热差技术使得系统在−40~+60 ℃温度范围成像质量良好，实现四片透镜构成的非制冷长波红外连续变焦光学系统设计。该系统工作波段为8~12 μm，焦距变化范围为20.7~126 mm，对应F#为1.05~1.2，视场变化范围为21°×16.8°~3.5°×2.8°，变倍比为6.0×，最大物镜直径116 mm，光学系统总长180 mm，光学零件总质量418 g。该光学系统具有轻小型、高性能、低成本等SWaP-C特征，将在无人装备平台及手持热像仪设备中得到广泛应用。

为了实现对远处目标的瞄准、识别与跟踪，光电跟踪系统往往需要其光学系统可连续变焦，并且具有大变倍比、宽波段、光轴一致性高等特性。详细阐述了连续变焦光学系统的基本构造形式、初始结构参数估算等，并在确定了相关技术参数的基础上，设计了一种变倍比为40^×的宽波段连续变焦光学系统。设计的连续变焦光学系统全部使用球面镜，易于加工，成像质量较好，各视场MTF值在150 lp/mm处均大于0.2，并且凸轮曲线平滑，无拐点，杂散光控制较好，对系统影响很小。最后通过外景试验测试，该系统光轴一致性小于0.1 mrad，系统的各项性能指标都可满足设备的使用要求，为光电跟踪系统的工程化提供了参考价值。