为了提高远距离、暗弱目标探测灵敏度，通常需要增大可见光相机口径，这会显著增加相机的质量和体积，无法适应卫星轻小型化要求。针对低轨探测地球同步轨道（GEO）目标需求，利用低轨零倾角卫星与GEO目标相对速度恒定，设计了面阵相机时间延迟积分（面阵TDI）成像模式。与自然交会模式、面阵凝视模式相比，在不增加相机口径的前提下，大幅提高了相机探测灵敏度。阐述了面阵探测器TDI成像原理，推导了相机信噪比计算模型，对目标运动、积分时间、探测灵敏度和信噪比等主要成像参数进行了计算，分析对点目标探测成像的影响。研制了一台原理样机，在暗室条件下的实测结果表明，相机TDI级数为96级，可实现对GEO轨道目标探测能力优于15星等，信噪比大于5。

在对空间碎片进行分析研究中，大视场的天基目标探测载荷成为提高探测效率的有效方式，在实际成像过程中，由于曝光时间长，加上卫星自身在轨姿态的运动、二维转台的转动等因素，会导致空间相机在图像上产生像旋。通过齐次坐标变换法对像旋进行分析，得出相机存在±2′的像旋，并利用柔性单元和压电驱动器设计了一种新型无摩擦、无磨损、免润滑的像旋补偿机构，带动空间相机反方向的旋转对像旋进行补偿。然后对柔性单元应力和系统固有频率进行优化设计，推导柔度公式和精度公式，并对结果进行有限元仿真分析。结果表明：仿真结果与理论计算模型的最大相对误差均小于 5% ，该机构能够实现大视场空间相机的像旋补偿，并且具有较高的精度。

系统性地采取严格控制光学元件加工装配精度、采用大质量高稳定性光机结构、运用精密热控等方法，是以往保证空间相机光学系统高性能成像质量的常规方法，但同时该策略的实施也给相机研制带来了较高的经济与资源代价。面对高性能空间光学相机低成本化的发展趋势，降低光学系统误差敏感度，在保证成像性能的同时降低实现成本，是需要面对与解决的课题。以某小型空间相机研制为背景，应用光学系统低误差敏感度设计方法（降敏设计方法），对相机焦距500 mm、相对孔径1∶5、视场角2ω=4°的同轴两镜折反射式光学系统进行了降敏设计。结果表明，基于降敏设计方法获得的光学系统不仅像差校正理论结果表现优异，调制传递函数接近衍射极限，同时，仿真显示其在误差干扰下光学系统鲁棒性好，为相机的快速低成本制造提供了保证。光学系统降敏设计方法对高性能小型空间载荷的设计与低成本快速研制具有重要的应用价值。

在大口径、长焦距空间遥感相机中，主、次镜间相对位置变化会影响相机的成像质量和稳定性，因此，作为主次镜间承力结构的主次镜支撑结构，是相机设计过程中的关键一环。本文针对大口径、长焦距相机特点，设计并研制了碳纤维薄壁筒式主次镜支撑结构。首先，根据给定光学系统，选取了筒式基结构形式。然后，根据筒式基结构形式的特点，依次对筒式结构的次镜支撑梁和纵向加强筋的几何结构形式进行了分析与选型。接着，为了充分发挥碳纤维材料铺层可设计性特点，对主次镜支撑结构进行了结构关键尺寸、铺层厚度和铺层角度三者的迭代优化设计，并对设计结果进行了有限元仿真分析。最后，通过测量次镜角度变化量和特征级扫频振动试验，验证了支撑结构的稳定性和结构刚度。试验结果表明：次镜相同状态下长期监测差值变化量小于1.5″，重力翻转前后变化量小于1.08″，支撑结构一阶固有频率大于115 Hz，轴向频率大于180 Hz，表明主次镜支撑结构具有良好的刚度和结构稳定性，满足设计指标要求。