为保证大口径空间相机的在轨成像质量,需要采用像差主动调整技术。针对采用出瞳变形镜校正技术的大口径空间相机,分析其在轨误差源,通过Zernike多项式拟合在轨波前像差,根据给定的在轨工况条件,采用直接斜率法进行了波前像差重建,建立了复原波前与出瞳变形镜的响应特性的对应关系,计算出控制电压值并用于波前校正。仿真结果表明,采用出瞳变形镜技术可以有效校正大口径空间相机的在轨波前像差,校正后面形残差RMS值小于1/50波长,为大口径空间相机在轨波前像差主动调整技术提供了工程应用参考。

压缩感知技术用于大气湍流波前斜率测量能在很大程度上提高波前信号的测量速度，同时降低波前测量系统的硬件压力。与现有波前斜率测量方法不同，压缩感知波前测量方法增加了从波前斜率的稀疏测量值到波前斜率信号的重建过程，因此将压缩感知技术用于波前测量，需要快速、高精度的波前斜率重建算法。Smoothed L0 Norm (SL0)算法是一种近似L0 范数估计的优化迭代重建算法，与其它算法相比，不需要事先知道信号的稀疏度，计算量低且估计精度高。本文以SL0算法为基础，对波前斜率信号分区域测量，再结合并行运算，通过理论分析和仿真实验实现了一种能够快速、高精度重建信号的分区域并行算法—Block-Smoothed L0 Norm (B-SL0)。实验结果表明，B-SL0在计算时间和精度都明显优于现有的其它重建算法，对压缩感知技术用于大气湍流波前测量的可行性进行了初步探索。

利用压缩感知技术对大气湍流波前探测数据进行压缩，可使测量数据量大幅度减少，能有效降低数据的传输与存储压力，有利于湍流波前的实时测量；但压缩条件要求波前信号是稀疏的或在某个变换域内能够稀疏表示。本文对大气湍流波前斜率信号的稀疏性进行了初步研究，基于大气湍流的统计特性，在频域内对湍流功率谱作黄金分割采样(GS)，建立符合大气湍流斜率物理特征的稀疏基，明确了湍流波前斜率的稀疏性。利用该GS 稀疏基对波前斜率进行稀疏分解，并通过仿真实验对比了不同稀疏基对波前斜率的稀疏分解效果。在此基础上，以GS 基作为训练基的初始化字典，进行K 奇异值分解字典训练(KSVD)，得到训练基(KSVD-GS)，分析了该训练基对波前斜率信号的稀疏表示性能。本文验证了波前斜率能够稀疏分解，建立了一个较好的稀疏基，为压缩感知的应用提供了前提基础。

斜率和曲率混合型波前传感技术将子孔径内波前的一阶和二阶导数信息全部利用起来, 能够实现高阶像差的精密测量, 是区域型波前传感技术的一个重要发展方向。在利用子孔径波前振幅调制的斜率和曲率混合型波前传感器的基础上, 提出了一种基于质心探测的斜率和曲率信号提取算法, 实现各个子孔径内待测波前斜率、拉普拉斯曲率以及扭转曲率的直接测量。仿真结果表明, 在理想条件下, 单一子孔径内斜率和曲率信号的检测精度均在0.02λ(λ=632.8 nm)以内; 噪声水平小于10%时, 斜率和曲率信号的检测精度均在0.08λ以内。该算法具有较高的检测精度及良好的抗噪性。

斜率算法对哈特曼-夏克传感器非常重要，而基于归一化互相关斜率算法的哈特曼-夏克传感器可满足强噪声情况下点光源和扩展目标的斜率探测需求。为解决互相关斜率处理器可移植性差的问题，提出用多核中央处理器(CPU)来实现斜率探测。在优化归一化互相关算法的基础上，编程实现斜率探测，并从多核并行和运算向量化两方面优化程序，提升斜率提取速度。当模板分辨率为9 pixel×9 pixel时，优化程序在Intel(R) Core(TM) i7-3770k四核计算机上运行，完成400 个15 pixel×15 pixel的子孔径斜率提取，用时约为340 μs。搭建了自适应光学系统，对优化后的斜率算法进行系统闭环测试。结果表明，使用多核CPU 的相关哈特曼-夏克自适应光学系统能在强噪声环境下进行有效的波前校正。

为了完成对于30 m望远镜(TMT)三镜面形的检测，引入了基于斜率的测量方法。首先，针对斜率信息分别提出了对于低阶像差拟合以及中频误差分析的方法,并利用数值仿真以及实测数据对于之前提出的理论进行验证；最后，针对所提出的方法进行了基于蒙特卡洛法的误差分配，讨论了在TMT招标方所提出的精度要求下，各个检测仪器的精度如何分配。文中使用的方法，不仅对于TMT三镜的面形检测有很好的指导作用，同时对于类似的大口径平面镜的检测也有一定助力作用。

干涉测量法是测量科学中有效的手段之一，但受到检测带宽的限制，难以增大其动态测量方位或者检测面形的高频误差。结合角谱理论对干涉条纹空间频率及其带宽与波前斜率的关系进行了理论分析和仿真实验，得到了干涉条纹带宽与波前斜率的数值对应关系。结果表明，干涉条纹最大频率对应波前的最大斜率，由波前最大斜率可确定干涉检测的动态范围，即由波前斜率可以估算出干涉条纹带宽；反之，根据电荷耦合器件(CCD)分辨率确定干涉图的总带宽，可以计算出能测的最大波前斜率，对后续研究各种干涉方法的频谱特性以及如何进行频谱带宽的优化分配提供了理论依据。

直接斜率法直接将波前传感器的测量量与变形镜的响应特性建立起对应关系，通过算法直接计算出控制电压信号。用 64个子孔径的哈特曼波前传感器对畸变波前进行仿真探测，按照变形镜面形为影响函数加权叠加的假设，可以求解出加在各个驱动器上的电压值，进而可以对仿真的 32单元变形镜进行控制，校正波前。仿真的结果显示，直接斜率法可以有效校正畸变波前。

用部分补偿法检测非球面时，部分补偿透镜的优化设计是关键技术之一。针对这一难点，提出了一种以剩余波前斜率作为优化目标的基于Zemax的部分补偿透镜设计方法，分析了剩余波前斜率与干涉条纹密度以及弥散圆之间的关系，得到了弥散圆可以定量表征剩余波前斜率的结论，并将弥散圆半径作为优化函数。针对3种不同参数的非球面进行了部分补偿透镜的优化设计，设计结果表明，该方法可在保证干涉条纹可探测的前提下，简单、快速、全面直观地实现部分补偿透镜的优化设计，减小剩余波前斜率，降低干涉条纹密度，从而扩大干涉仪可测非球面面形误差的测量范围，提高可测的空间频率。