箱外光电系统综合检测仪是光电成像系统高低温性能检测装置的重要组成部分，多光谱光学窗口是高低温箱和外置目标模拟器的接口。论文根据应用需求及材料分析结果，选取多光谱ZnS作为光学窗口材料，通过热传导理论对光学窗口组件低温使用状态进行分析，重点分析窗口组件在低温条件下加热对窗口组件面型的影响，并提出了实现微应力装配的结构形式及解决窗口组件在低温条件下结霜结雾的设计方案；通过sigfit对有限元计算结果进行提取、处理以及数据拟合，并通过CODE V分析口径为Φ310 mm窗口组件在使用温度范围内的波像差RMS，分析结果显示优于λ/15，满足窗口组件的光学性能要求，最后通过实物样机进行了验证。实验结果表明：该多光谱光学窗口组件的结构设计方案既满足多波段使用要求，又满足低温除霜除雾要求，同时保证了高低温条件下的光学性能要求。

为了保证航空相机的成像效果，设计了气密光学窗口及其保护罩。本文对光学窗口的设计流程进行了分析，讨论了光学窗口设计的考虑因素，例如光学材料、光学厚度、压力和气密安装方案等。为了实现在非工作状态下对光学窗口的保护，设计了双层舱门结构形式的光窗保护罩，实现了系统的小型化。通过仿真分析和试验，测试了气密光学窗口和光窗保护罩的稳定性，系统能够在2个大气压和高低温环境下正常工作，性能良好。光学窗口保护罩整个厚度仅为37 mm，能够实现快速开启与关闭，单程时间为7.7 s。相关分析方法解决了光学窗口设计问题的盲目性，使光学窗口的设计更加合理可靠。本文提出的方案为航空相机光学窗口的设计和保护提供了参考和技术支持。

随着技术发展，现代化战争对新型**提出了更高的要求，高超声速飞行器的发展也备受关注，红外成像制导在高超声速飞行器的末制导领域中占有重要地位。红外成像设备易受到背景辐射和窗口热辐射带来的干扰，产生的背景噪声易造成图像饱和。通过试验对比中、长波热像仪对高温物体、太阳、云层、海面、干扰弹以及转动、高速、高动态条件下的成像效果，并且试验对比尖晶石、氧化钇、氧化锆以及硫化锌材料自身热辐射分别对中、长波热像仪成像的影响，通过测试得出各窗口在高温下透过率的相对衰减率。对比分析得出长波热像仪在抗干扰等方面占有优势，硫化锌材料具有低辐射、高透过率、以及耐压性能好等优势。中、长波对比试验对于工作波段选择以及窗口材料选择提供了参考与支持，对后续中-长波双色系统设计研究具有参考价值。

针对高速流场下凸台周围的气动光学效应，对不同马赫数下的三种凸台形状周围的流场进行仿真计算，计算得到流场的密度变化，计算了光线经流场传输后的光程差。仿真结果表明：随马赫数增大，光程差逐步增大；同等条件下，不同出射角度对应的光程差不同，凸台存在强烈的尾流区域，从而导致较大的光程差；在马赫数达到跨音速时，凸台顶端也会产生较大的光程差；曲率较小的凸台结构对周围流场的影响较小。

为了在温度变化条件下对光电成像系统进行像质检测与评价，设计一种具有温度自适应功能的光学窗口。分析了温度变化对光学玻璃面形的影响，进行光学窗口的温度适应性光机结构设计，通过有限元分析与实测实验相结合的方法分析了温度变化对光学窗口面形的影响，验证了温度适应性设计的有效性。实验结果表明：常温20 ℃条件下，光学窗口波像差的PV值和RMS值分别为82.90 nm和6.96 nm；高温50 ℃条件下，波像差的PV值和RMS值分别为136.68 nm和14.55 nm；低温−40 ℃条件下，波像差的PV值和RMS值分别为183.51 nm和28.48 nm；高、低温环境下光学窗口的波像差与常温环境下结果对比的数值变化趋势与有限元分析结果具有较好的吻合性；在3种温度条件下光学窗口波像差的PV值均小于或接近（1/4）λ，且由于温度变化引起的光学窗口面形变化很小，设计的光学窗口具有较好的温度适应性。

针对在一定压差及温度梯度等复合环境下工作的大口径光学窗口，提出了一种由光学玻璃与亚克力板组成的光学窗口组合方案，并以热光学分析为基础，对光学窗口整体强度及热环境进行了理论分析计算，得出光学窗口玻璃最小厚度。利用有限元软件将压力场及轴向温度场映射至三维结构模型，计算得到直径为380 mm的光学窗口在不同玻璃厚度下力热耦合的面形变化及成像质量评价指标，并通过相应的环境性试验对仿真结果进行验证。实验结果表明：以K9光学玻璃为原材料的大口径光学窗口在此工作环境下的厚度不小于32.5 mm；当光学窗口厚度为35 mm时，其所受热力学影响可以忽略。因此，35 mm的大口径组合式光学窗口既能满足强度要求，又能满足多光谱相机成像质量要求，为该类窗口的设计提供了依据。