包含章动、自适应光学以及精跟踪功能的复合激光通信系统的光路复杂，环境温度改变时多光轴的一致性较难保证，导致波前校正基准、跟踪零位偏移，严重影响通信链路的建立。为解决以上问题，对系统进行了一体化设计，提出了针对多光轴复杂光路的光轴一致性的分析方法，建立了多反射镜误差传递模型。经过计算可得：在10~30 ℃的环境温度范围内，精跟踪支路与通信支路间、通信发射支路与通信接收支路间、精跟踪支路与自适应光学支路间同轴度误差优于143.77 μrad、27.38 μrad和131.66 μrad。在实验室中进行30 ℃温度拉偏实验，实验结果表明：光轴实际偏转角度与仿真结果之间的误差优于13%。随后进行了楼宇间的1 km激光通信实验（环境温度28 ℃），成功实现稳定通信。

光轴稳定性是影响光学系统性能的重要因素，光机热集成分析技术是评估其影响程度的有效手段。论述了光机热集成分析技术流程，研究了基于齐次坐标变换的面型刚体位移提取方法，并基于光机热集成分析技术开展某高清电视光机系统的光轴稳定性研究。通过理论分析与实物测试的对比，验证了分析方法的正确性。分析结果表明，相对于实测值，基于光机热集成分析技术的光轴稳定性分析误差为12.1%，可有效解决高集成度复杂光学系统的光轴稳定性分析问题。

鉴于当前光学抛物面面形参数计算模型的复杂性, 为解决直接基于抛物面的有限元分析数据, 获取高精度抛物面面形参数的计算问题, 提出了一种新的光学抛物面形参数计算方法。首先, 提出了光学抛物面有限元离散误差的概念, 并对其消除技术进行了研究, 这也是高精度算法的关键数据处理环节; 其次, 采用刚体位移数据处理算法分离了抛物面面形的刚体位移与面形畸变位移; 最后, 采用最优化设计算法获取了抛物面面形均方根等参数计算所需的基础数据。在对抛物面面形参数计算方法研究的基础上, 讨论了其算法实现, 并对算法程序的正确性进行了校验。校验结果表明: 高精度抛物面面形参数计算方法计算精度高, 算法校验误差在6%左右, 该算法精度能够满足工程需求; 为外部热力载荷作用下, 光学面形参数的高精度计算提供了新的技术参考。

本文采用了光机热集成分析的方法对透射式红外光学系统在温度变化条件下进行分析。首先，利用 Zemax建立了 F.为 1和 F.为 2的两个光学系统，利用有限元软件 Patran & Nastran对两个光学系统加载温度场进行热弹性分析，得到镜面节点变形前和变形后的位移。其次，使用 Sigfit将分析得到数据进行 Zernike多项式拟合，得到镜面的 Zernike系数和刚体位移。最后，再将其导入到光学软件 Zemax中，分别考虑镜片面型变化、刚体位移变化和镜片折射率变化 3种因素对其 MTF值的影响。以 F.为 1的光学系统作为主要分析对象，其结果表明在设计要求 65℃（－45℃～20℃）温差下，面型变化使 MTF（17 lp/mm）值下降了 9.72%；刚体位移变化使 MTF值下降了 29.16%；折射率变化使 MTF值下降到 0点，已不再满足光学系统的成像质量要求。其结果表明，折射率变化才是影响红外光学系统成像质量的最主要因素。通过减少温度范围并进行光机热集成分析，得到 F.为 1的光学系统下温差范围为 8℃～32℃，F.为 2的光学系统下温差范围为 6℃～34℃。在两个光学系统的温差范围下 MTF值均大于 0.2，综合考虑建模精度及软件计算精度，其温度最适范围为 13℃～27℃。

建立了光机一体化仿真方法，从而实现对光学系统的性能评估。利用Ansys有限元软件进行热-结构仿真，将得到的数据文件进行刚体位移分离时采用新的评价函数，通过设置位移参量和随机值验证计算精度达到0.3%。运用Householder算法做Zernike拟合，将拟合系数作为与ZEMAX进行通信的数据接口，并采用动态数据交换技术实现Matlab与Zemax的数据交换。在此基础上给出一个角度检测物镜仿真的实例，得到了光学畸变随温度变化的曲线，说明为达到1″的测量精度，需保证工作温度范围为14~26 ℃。

光学镜面是空间光学遥感器的重要组成部件, 刚体位移和面形 误差是评价其环境适应性的重要指标。介绍了一种从Pantran/Nastran软件的有限元分析结果中提取光 学镜面的刚体位移和面形误差的方法。首先对Patran输出的原始数据进行预处理, 消除原始数据 误差；然后采用坐标变换法计算光学镜面的刚体位移, 并通过法方程法直接进行求解, 没有出现病态矩阵问题； 最后通过球面方程拟合法计算光学镜面的面形误差, 将球面拟合问题转换成3变量最优化问题再进行处 理, 并采用高斯-牛顿法进行数值迭代求解。经工程实践证明, 该方法具有计算简洁准确、计算速度快等特点。