针对数字化装备构建需求，以天基数字成像系统为研究对象，提出成像链路数理模型构建方法。建立相机、目标光学观测可见性模型和目标几何与光学特性模型，并通过路径追踪全局光照算法及光线重要性采样方法构建成像辐射传输模型，经过光电能量转换及成像调制模型输出空间目标数字成像结果。基于成像平台和空间目标的轨道参数，对比 Satellite tool kit (STK) 二体轨道模型15 d内的可见性仿真结果，验证了提出的可见性模型的正确性。在时间间隔3 s，距离70~200 km的条件下，对姿态对地定向目标进行成像仿真，结果表明，该成像链路数理模型可以有效生成在满足轨道监测条件下的目标序列图像，同时文中模型对天基装备数字系统建设也具有一定参考价值。

针对现有结构无法满足大尺寸差分干涉仪稳定性固定，以星载近红外差分干涉仪稳定性结构为研究目标，优化选择光学材料实现实体差分干涉仪的热补偿，提高了光学元件温度稳定性；以支撑结构的最大结构应力和光机粘接面处最大剪切应力小于许用应力为优化目标，建立数学模型，优化设计支撑结构参数，调节组件基频，提高了组件的力学稳定性。有限元分析支撑结构最大应力65.56 MPa，小于材料的抗拉强度，光机粘接面最大剪切应力3.4 MPa；环境温度变化5 ℃，分光棱镜面形RMS最大变化量1.671 nm，热应力带来的干涉图畸变可忽略。力学振动试验前后，光学测试干涉条纹频率（50个条纹数）未发生变化，差分干涉仪结构满足星载力学环境条件。该方法也适用于棱镜式干涉仪稳定性支撑结构。

为了有效地提高星模拟器的精度，针对经典星间角距数学公式没有考虑光学系统像差影响的问题，提出了一种基于像差影响的星间角距修正方法，建立了相关的数学模型并推导了相应的数学公式。并以球幕投影的星模拟器平台为例进行分析和实验测试，结合所建立的星间角距数学模型，对各星点的方位角和俯仰角进行曲线拟合，得到像差影响的星点位置误差拟合曲线，从而完成星间角距修正。实验结果表明，修正前星间角距误差为27.56″，修正后星间角距误差为16.96″，相对于修正前减小了10.60″。本文方法为有效提高星模拟器的仿真精度提供了理论基础。

针对原有大型激光装置在双光学目标条件下无法实现光路对接准直的缺点，本文提出了一种基于双目标识别和准直数学模型改进的光路自动准直方法，主要从双目标识别算法实现和多光路、双目标准直数字模型的构建两个方面进行优化。首先，提出基于圆拟合的双光学目标识别图像处理算法，实现了双光学目标的识别，为光路对接准直的成功提供保障；其次，构建新的多光路、双目标自动准直数学模型，为光路准直中各个准直参数的标定和计算提供指导；最后，优化准直流程的调度，对多个光路进行并行准直，提高光路对接准直流程的效率。实验结果表明：本文提出的基于圆拟合的双光学目标识别算法实现了光路对接准直流程中的模拟光目标和主激光目标的识别，识别误差精度小于3个像素，处理时间小于1 s，满足了大型激光装置光路对接准直过程对于精度和效率的要求。本文构建的基于多光路、双目标自动准直数学模型对于光路对接准直流程的成功具有指导意义。