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℃。

介绍了非稳定风载的功率谱，采用最小二乘法建立了光学元件的刚体位移与其镜面节点关系的线性表达式，并基于小位移假设线性化处理的方法推导出表征光学系统各光学元件刚体位移所引起像点偏移量的光学敏感度矩阵。进一步将这些线性关系式作为前处理导入望远镜结构有限元模型中，进行了频率响应分析。以不同风速和俯仰角组合共20种工况下非稳态风载的功率谱密度作为输入，得到了像点相对成像面横向偏移量的随机响应曲线。考虑主轴伺服控制系统和成像器件积分时间对像点偏移量的影响，对像点横向位移的随机响应曲线进行了修正，得出了像点随机偏移量引起的线扩散函数（LSF）和调制传递函数（MTF）衰减曲线，并计算得到20种工况下长曝光与短曝光成像时系统的斯特列尔比。结果表明，5等级风速下任意俯仰角和6、7等级风速下接近0°俯仰角的情况下光学系统的斯特列尔比大于0.8，望远镜系统可以正常工作；8等级风速任意俯仰角情况下系统的斯特列尔比都小于0.8，望远镜成像质量受到严重的影响，系统无法正常工作。

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 ℃。

光学镜面的变形包括刚体位移和面形误差(表面畸变)，分析刚体位移和面形误差对于评价光机系统的环境适应性、空间位置稳定性和成像质量具有重要作用。根据坐标转换法去除镜面变形中的刚体位移，论述了曲面拟合、法线方向和光轴方向三种面形误差统计方法的原理并进行了深入比较，针对不同重力及温度工况计算了镜面面形误差的均方根(RMS)值及峰谷(PV)值。引入镜面弥散斑RMS 半径并将其作为面形误差大小的光学评价标准，通过三次插值算法生成栅格矢高面，在ZEMAX 软件中建立了高精度的镜面面形误差光学模型，最后采用面形误差的RMS 值及PV 值与弥散斑RMS 半径之间的线性关系考查了三种面形误差统计方法的光学性能。研究结果表明：曲面拟合法统计的面形误差信息不完整，适用于镜面面形方程参数不发生明显改变的工况。法线方向和光轴方向两种统计方法统计的面形误差信息完整，可以全面地衡量光机系统的成像质量。

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。

根据某空间光学系统的SiC 反射镜的设计指标要求,对比分析了各种轻量化结构(包括三角形、正方形、六边形和各种扇形轻量化结构)的力学(自重变形)、热学性能(温度应力变形)。综合比较这些轻量化结构的轻量化率、比刚度和热稳定性能,最终确定采用一种扇形轻量化结构。在轻量化率达到75%的情况下,镜体的自重变形和热变形均满足要求:采用Zernike 多项式拟合去除刚体位移后得出,在周边支撑情况下镜面由于自重引起的表面畸变量的RMS 值为0.010 1 μm,约为λ/60(λ=0.632 8 μm)。