针对高分辨率遥感影像中建筑物形状多样、大小不一引起建筑物提取精度低及传统分割模型存在参数量大等问题，提出一种基于编码-解码的轻型多尺度差异网络LMD-Net（Lightweight Multi-scale Difference Network）。首先，为了避免单一的特征处理单元堆叠使得模型性能弱化而产生无效参数，通过融合编解码结构的功能差异性，设计出一种轻型差异模型优化性能。其次，引入一种多尺度膨胀感知模块（Multi-Scale Dilation Perception，MSDP）来增强网络捕捉多尺度目标特征的能力。最后，通过双融合机制有效聚合深层跳跃连接和深层解码器两组的特征信息，从而实现增强解码器的特征恢复能力。为验证轻型多尺度差异网络LMD-Net的有效性和适用性，以开源WHU building dataset数据集作为数据源，对LMD-Net网络与常用语义分割网络及近年相关文献研究成果进行了精度、效率方面的评估实验。结果表明：LMD-Net网络在效率与精度两方面均表现出明显优势，不仅很大程度上减少模型的参数量和计算量，而且交并比、准确率分别提高了3.23%，2.57%。表明在基于高分辨率遥感影像建筑物提取领域中，该模型所表现的优势具有良好的城市空间信息库价值。

提出一种结合跨尺度特征融合与瓶颈注意力模块的轻量型单帧红外小目标检测网络。该网络在不引入额外神经元的前提下，直接在编码层和解码层之间进行高频多尺度特征交互，从而维持小目标在网络深层的响应幅值，实现小目标浅层空间结构特征与深层高级语义特征之间的交互融合。同时，该网络在编码器瓶颈处级联轻量型混合注意力模块，进一步增强目标特征在网络深层的响应幅值。实验结果表明，该网络能有效抑制复杂背景杂波，并以较低参数量实现红外小目标检测。

针对机械补偿式变焦光学系统难以同时实现大变倍比和轻小型设计的难题，提出了一种高倍率轻小型机械补偿式变焦光学系统的设计方法。为了降低高倍率变焦光学系统色差和球差的校正难度，对机械补偿式变焦光学系统的光焦度分配原理进行了理论分析。然后，提出采用平滑换根的“+，-，+，+”光焦度分配方式结合固定光阑口径变F数的方法，来实现大变倍比轻小型设计，并通过参数设定和光学设计软件联合解算的方法，快速有效地解算出较佳的初始结构参数。最后，使用全球面透镜设计了一款大变倍比轻小型的连续变焦光学系统，该系统的最大口径为67 mm，全长为190 mm。该变焦系统具有成像质量好、变焦曲线无拐点等优点。

为了实现轻量化、集成化与大视场的光学成像系统，提出了一种基于超透镜阵列的平面化人工复眼结构。该结构使用基于几何相位原理的不同取向二氧化钛纳米柱结构来实现电磁波调控，使得超透镜阵列面与复眼的像面均为平面，不需要传统曲面复眼所需要的非球面加工。在传统超透镜聚焦相位的基础上叠加倾斜相位，能够较好地抵消光学系统非近轴区域光线离轴照明对成像质量的影响，实现大视场复眼的效果。所设计的复眼主要由一个11×11的超透镜阵列组成，总体尺寸仅为165 μm×165 μm，总体高度为18.6 μm，视场角可达140°×140°。仿真结果表明：光线以较大离轴角（50°）照明的情况下，所提出的复眼结构仍能实现较好的成像效果。

本文对激光空间合束主镜进行优化设计与分析，以抑制强激光空间合束系统主镜热畸变，提高主镜面形精度。首先，对比分析了选择不同材料作为主镜基底的优缺点，从理论上初步确定了主镜材料、镜体厚度、支撑方式和轻量化结构形式；然后，利用有限元方法对空间合束主镜进行了热畸变分析，并结合热畸变结果对镜体结构形式进行拓扑优化设计；最后，对主镜进行重力、环境适应性和基频分析，验证设计的合理性。分析结果表明：6光合束主镜在单束10 kW激光辐照下，随着辐照时间的增加，镜面温升值和P-V值逐渐增大；辐照3 min后初设计主镜表面温度达83.4 ℃，P-V值为155 nm，受镜体结构影响，辐照区内热畸变值不一致，差值约占镜面P-V值的1/6；为改善热畸变的不一致性，提高镜体强度，对主镜进行拓扑优化设计，优化后主镜轻量化达54.5%，辐照区热畸变一致性好，镜面热畸变量减小了近1/3；不同俯仰姿态下，主镜重力变形值基本相同，不足10 nm；环境温度的改变会引起主镜的镜面畸变和平移，稳态温差值越大，主镜面形P-V值和镜面平移量越大；模态分析显示主镜基频满足系统要求。本文研究结果将对激光空间合束系统的设计提供依据。