首先阐明了光学合成孔径成像系统的原理。合成孔径成像系统在获得高截止频率的同时，降低了系统的中频性能，并且合成孔径成像系统的信息获取在方向上具有可选择性。然后对合成孔径成像系统的点扩散函数和光学传递函数进行了计算机仿真，仿真结果与合成孔径系统的成像原理一致。最后通过对辐射靶标的成像实验，再次对合成孔径成像系统的特性进行了验证。

卫星相机建模与仿真研究不论在民用还是军事领域都具有重要的理论研究和实际应用价值。根据TDI线扫相机的工作原理建立了一个TDI线扫相机光学通道的数学模型，该模型包括从景物到TDICCD离散图像的几何投影关系和能量传递关系两部分，对于确定的成像系统，给定景物参数和光学系统参数，就可以确定对应图像传感器上的离散图像。为了验证模型，对一幅卫星图像进行了计算机仿真。建立的模型可以用来研究当成像条件改变时对图像的影响，进一步还可以用来发展虚拟卫星相机系统。

分析了离轴三镜系统中光学元件调整变量间的补偿关系和面形误差与调整变量间的补偿关系.调整变量中偏心变量和倾斜变量的位置失调常常会产生同种像差,存在一定的相关性.从失调像差理论出发,通过平衡偏心变量和倾斜变量产生的初级像差,得到偏心变量和倾斜变量间的补偿关系.利用Zernike多项式模拟面形误差,建立面形误差与初级像差的关系,使面形误差与调整变量联系起来.通过计算机模拟,给定光学元件一定的面形误差,然后调整光学元件的偏心、倾斜和横向位移进行补偿,发现当次镜带有1λ像散的面形误差时,补偿后系统波前误差只下降了0.01λ RMS.

介绍了一种基于三反消像散系统的大视场长焦子孔径合成光学成像系统的设计方法。在利用菲涅尔衍射直接积分叠加的基础上对子出瞳波前进行了像质评估，以实现对拼接镜面的全面仿真和分析；用非序列面误差分析和分配的结果修改初始结构；通过高次曲面平衡像差，并在结构优化时使用较小F数的系统增加结构对子镜失调误差的冗余度，迭代完成系统的最终设计。设计了一个同轴三反子孔径合成光学成像系统，焦距为44m，f／8，7子镜拼接，视场角达0．6°×0．06°，通过不断迭代，获得了较好的结构和成像质量。

拼接镜面合成孔径光学系统的出瞳波前是离散的，需要同时引入波象差和衍射光学理论来拟合最佳高斯参考球面，计算出瞳波前和波象差，并通过对像面的衍射积分，评估系统像质。对比了两种像质评估的方法：其一是直接利用干涉仪实测获得的整体出瞳波面参数拟合Zernike多项式衍射直接积分法计算像面复振幅分布，其二是对子出瞳波面衍射直接积分在像面的复振幅进行叠加。设计并制造了一个三子镜合成的成像光学系统，在此基础上用ZYGO GPIXP干涉仪对两种方法计算的像质进行了验证和对比。结果表明，子出瞳波面直接衍射积分叠加法的精度更高，但计算量大；在衍射极限附近，前者的拟合精度也能满足像质的定性评估要求，且计算量较小。

为了能够利用ZYGO数字干涉仪检测大口径深度高次非球面,提出了一种新的波前补偿方法,即透镜补偿与计算全息相结合.通过设计实例表明,对于相对孔径为11.08的大口径深度高次非球面,利用简单的2片式透镜补偿器、并与计算全息的-1级衍射波相结合,系统的波前残余误差的均方根(RMS)值可以控制在0.01λ以内.结果表明,该检测方法具有通用性强,测量精度高等特点,较好的克服了以往各种检测方法的局限性.