研究用于飞行器等动态基座航向角校准的大范围、中高精度航向角度测量系统。系统采用2个面阵电荷耦合装置（CCD）检测反射光斑的相对位置，实时测定动态基座航向角，为避免基座晃动的影响，提出了角锥棱镜反射测量方法并设计了整套光路，所需元件少，结构简单，光路调谐简便，适合空中作业。根据预估参数搭建了实验系统，对面阵CCD传感器的检测信号进行阈值分割处理后，采用重心亚像素检测方法，定位精度达到0.4像元大小，航向角度测量不受基座晃动影响，测量精度优于1′，测量范围满足±10°，为应用于外场实验打下了基础。

为了补偿激光外差干涉纳米测量中的非线性误差,提出了一种减小非线性误差的一次谐波方法。基于全反射理论分析了镀膜实体角锥棱镜反射光偏振特性,并由此推导出角锥棱镜反射光偏振特性及测量角锥棱镜以其运动方向为轴线的轴向旋转对激光外差干涉非线性误差一次谐波的影响模型。理论分析表明,测量角锥棱镜以其运动方向为轴线的轴向旋转会减小非线性误差一次谐波,当测量角锥棱镜轴向旋转97°时,可使非线性误差一次谐波达到最小,约为原有非线性误差一次谐波分量的1/20倍。当激光器出射的两束线偏振光存在6°非正交误差时,镀膜实体测量角锥棱镜轴向旋转角度从0°增加到97°,非线性误差一次谐波由5.30 nm减小到0.30 nm。

分析了线偏振光垂直入射到角锥棱镜经三个直角面依次反射后出射光线偏振态的变化.利用衍射理论,计算了出射光两正交偏振分量各自的远场衍射分布,模拟出了相应的光场衍射分布图,并将计算结果与不考虑偏振态情况下的远场衍射图进行了比较分析,证明两者间存在明显差别.所得结果为不同使用要求下角锥棱镜的理论设计提供了依据.

从现代光学角度出发,利用反射、折射定律的矢量表达式,详细分析了理想角锥棱镜对光的反射特性以及角锥棱镜存在直角误差时对其光路的影响,并用大量公式进行了理论推导和论证.同时指出要在高精度测量过程中提高检测精度,任何一个角度误差都不能忽略.该分析结果对实际工作中应用角锥棱镜作为逆向反射器所造成的误差的修正具有指导意义.

鉴于实际应用的需要,考虑角锥反射器的二面角加工误差,采用矩阵光学和矢量运算方法,建立了一套适合于数值模拟的角锥反射器的后向反射数学模型,给出了角锥后向反射器光束变换及衍射传输的公式和数值模拟计算方法。分别针对理想角锥后向反射器和有二面角加工误差的角锥反射器,研究了反射光束的传输特性,分析了入射角和传输距离对近场和远场能量分布的影响。根据卫星搭载角锥反射器的特殊要求,讨论了速差补偿方法和设计等问题,并针对卫星姿态控制的两种情况,分别提出了速差补偿的设计方案。