针对航空平台气动光学效应影响航空平台激光通信系统性能的问题，研究了航空器在不同飞行速度和海拔条件下，气动光学效应对激光通信系统通信光传输性能的影响。采用大涡模拟方法分别模拟了在不同飞行速度、海拔下激光通信系统周围的气动流场，计算得到流场的密度变化分布，并根据密度数据建立折射率场，采用龙格-库塔方法求解光束传播方程并进行光线追迹，计算并分析了通信光束经过气动流场后的全视场光程差分布和斯特列尔比。仿真计算结果表明：随着飞行速度的增大，流场密度的变化更为剧烈，光程差逐渐增大，斯特列尔比降低；在飞行速度相同的情况下，随着海拔的增加，流场密度波动减小，光程差减小，斯特列尔比有所提升。所研究成果对补偿机载激光通信过程中的气动光学效应产生的影响以及获得更好的通信质量具有一定指导意义。

光学合成孔径是实现高角分辨率成像的一种可行的方法。由于存在多个孔径，振动所产生的孔径面共相误差会影响成像质量。基于现有光学合成孔径成像原理，通过对平移误差和倾斜误差进行耦合建模，设计了一套光学合成孔径结构下的振动对点扩展函数（PSF）的影响模型。提出时间累积斯特列尔比（TISR），相较于传统评价指标，TISR用于分析在时间累积效应下耦合共相误差对PSF的影响。分析结果表明：在振动的持续作用下，PSF成像性能会大幅衰退，时间累积效应下的TISR曲线呈现出明显的周期性波动，最终随着时间的推移而逐渐收敛。

下一代地基或天基大型望远镜系统多采用拼接式主镜实现。受多个误差源的干扰,拼接式主镜中的子镜面容易偏离设计位置而发生刚性失调,其中,子镜沿着光轴方向的piston误差和绕子镜面内旋转轴的tip/tilt误差尤为突出,对拼接式主镜系统的成像质量产生了严重的影响。从统计的角度出发,解析研究了由piston误差及tip/tilt误差导致的失调非连续波前的统计特性;推导了失调拼接式光学系统的像场质心;基于Maréchal近似,结合失调波前的统计特性,计算了斯特列尔比。研究结果进一步丰富了人们对拼接式成像系统性能的理解。

为了进一步实现傅里叶变换光谱仪的微小型化,在基于多级微反射镜的傅里叶变换光谱仪结构中引入微透镜阵列,利用微透镜阵列对由多级微反射镜调制的各级次的干涉光场单元进行同步收集。光场相位采用空间调制的方式,因此系统的波前像差会导致各级次干涉光场单元的子波前产生不同程度的畸变。建立含有波前像差的光场与多级微反射镜和微透镜阵列相互作用的标量衍射理论模型,计算表明波前像差会导致各级次干涉像点的强度产生不同程度的衰减,同时在复原光谱中引入低频噪声。通过分析发现,干涉像点强度的衰减是各干涉光场单元子波前像差的斯特列尔比调制的结果,且复原光谱中的低频噪声主要源于斯特列尔比的傅里叶谱。根据波前像差对干涉图像的调制特点,提出了一种利用波前像差的斯特列尔比对干涉光强进行修正的方法,计算表明该方法可以使复原光谱的失真得到有效改善。

红外窗口导致的气动光学效应将对高速导弹的红外成像制导产生重要影响, 文中在等离子体射流中对二维尖劈模型中的石英窗口进行加热, 测量了一定射流条件下红外窗口表面温度分布和热流分布; 利用径向剪切干涉技术, 测量了气动加热条件下红外窗口引起的传输光束波面相位的变化, 获得了点扩散函数和斯特列尔比的变化。实验结果表明: 热环境下的红外窗口导致传输光束的远场强度发生衰减, 能量分布发生扩散, 光束的会聚性显著降低。

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。

构建了一套桌面自适应光学系统性能测试系统，用以验证97单元自适应光学系统的校正能力。该测试系统主要由光源、快速控制反射镜、变形镜、Shack-Hartmann波前传感器、高速波前处理器、扰动相位屏等部件组成，分别利用干涉仪和Shack-Hartmann波前传感器的数据控制变形镜进行光路的展平校正，得到了系统的静态校正精度。然后，测试了精密跟踪系统的校正能力。最后，利用扰动相位屏模拟不同的大气扰动条件，以成像相机图像的斯特列尔比(SR)为指标，在不同目标亮度下测试了自适应光学系统的动态校正能力。测试结果显示: 该97单元自适应光学系统的静态波像差校正精度的RMS接近λ/20; 两种控制模式下精密跟踪系统的误差抑制带宽分别达到了15 Hz和39 Hz; 系统在强湍流情况下，动态校正后的成像分辨率基本优于3倍衍射极限。由此表明，97单元自适应光学系统能够有效地校正像差，提高成像分辨率。

为克服大气非等晕的影响, 多层共轭自适应光学(MCAO)系统被广泛应用于太阳望远镜, 以有效扩大校正视场。仅考虑由于大气非等晕造成的系统理论误差, 研究了变形镜(DM)个数及其共轭高度对太阳多层共轭自适应光学(MCAO)系统性能的影响。结果表明, MCAO系统中DM的最佳共轭高度取决于大气湍流的分布; 理论上, 太阳望远镜(D/r0=28.57)视场为1arcmin时, 只需两块DM, 太阳MCAO系统斯特列尔比(SR)可达0.55, 基本满足太阳望远镜的观测要求; 同时, 随着太阳望远镜口径的增大, 需通过增加DM个数以满足其在大视场观测的需求。

本文根据衍射光学理论和几何光学理论, 利用已得到的拼接望远镜的理论解析表达式和建立的数值仿真模型, 对拼接望远镜光学系统的远场特性进行了分析计算, 包括系统的理论衍射光斑直径、点扩散函数、斯特列尔比以及光学传递函数等。并根据仿真模型分析了拼接主镜中分块镜平移误差和倾斜误差对拼接望远镜系统远场的影响。分析结果表明, 拼接主镜的平移误差和倾斜误差都影响系统的点扩散函数、斯特列尔比和光学传递函数, 并使远场成像模糊; 其中分块镜倾斜误差会额外引入平移量, 如果补偿掉平移量对望远镜系统的远场性能有很大提高。

拼接主镜是建设大型天文望远镜最有效的技术途径, 尤其是对10 m及更大口径的望远镜.本文从光学衍射理论出发, 以10 m左右口径望远镜为例, 推导出了拼接望远镜光学系统点扩展函数的解析表达式, 建立了数学仿真模型, 并对影响望远镜系统远场像质的因素进行了计算分析.理论分析和仿真结果表明: 拼接望远镜的点扩散函数是分块镜的位置干涉函数和分块镜的点扩散函数的乘积; 分块镜间的间距会引起分块镜的衍射光斑展宽, 使远场峰值能量下降; 分块镜的平移误差会严重影响望远镜点扩散函数中的位置干涉函数, 从而降低望远镜系统的斯特列尔比; 分块镜的倾斜误差会在每个分块镜的点扩散函数引入频移, 因而影响拼接望远镜光学系统的点扩散函数, 降低望远镜系统的斯特列尔比.