空间交会对接技术作为组建大型空间站、提供人员物资补给、运送科研仪器的重要手段日益受到关注。其中,使用光学交会对接技术具有瞄准精度高、抗干扰能力强、事故风险低、可无人操作等优点,通过光学系统对靶标成像,测量其成像质心位置,进而计算出目标飞船与跟踪飞船的相对姿态。我国在本领域研究工作开展的较晚,为了紧跟国际空间交会对接发展步伐,非常有必要开展相关领域的研究,建立我国自主的具有高瞄准精度、大视场搜索成像特性的空间飞行器交会对接光学系统。目前,新型空间飞行器交会对接光学系统的研制存在诸多难点:受制于空间使用的多方面限制,交会对接光学系统应能在外界复杂光照环境下,使用功率较弱的主动照明系统时,也能对靶标进行高精度瞄准成像;应对合作目标主动照明功率、探测器件参数等因素综合考虑确定工程可实现的光学系统各项参数;在空间大温差、杂散光辐照背景影响下,交会对接光学系统仍能保证较好的成像质量;在国内常规加工装调检测条件下能够实现产品的顺利研制;地面检测设备可以对其进行指标精度范围内的高效检测。本文在分析国内外研究进展的基础上,从相关的理论计算、仿真设计、建模分析到地面试验等方面,较为详细的介绍了满足未来我国使用要求的新型空间交会对接光学系统,具体开展的工作如下:1、介绍了空间重要辐射光源,并着重以太阳辐射为例,分析了其正入射光学系统时,可见光波段对光学系统探测器辐照度的贡献,建立太阳迎面照射目标船对接机构时,跟踪船光学系统探测器上的辐照度表达式,并给出了逼近段远、近场情况下的具体计算量值。计算分析了飞行器位于太阳地球之间,地球反射光对探测器照度的贡献量值。2、以某定制探测器参数作为计算依据,与光学系统参数、成像探测距离等整合联立,建立并推导了光学系统有效成像时激光主动照明装置的出射功率表达式,计算并列出了满足远、近场成像的探测器能量接收数据信息。结合目前国际自动交会对接主流产品,提出符合我国未来应用需要的空间飞行器交会对接光学系统技术指标。3、根据空间交会对接光学系统成像特点需要,揭示了各光学像差对其成像质量的影响,以此对光学系统的初始结构选型作为重要参考,同时提出了空间交会对接光学系统能实现大景深、变共轭距时稳定成像的光学设计原则,设计了三种结构紧凑、成像质量优异的光学结构,并对其进行了详细的评价与比较,并对最终结构进行了实际加工。4、对光学系统进行了建模分析,结构与光学软件相配合,验证了本光学系统在极端温度均匀场及梯度温度场环境下成像指标依然满足设计要求;建立了杂散光分析模型,给出了太阳直接照射光学系统以及“鬼像”分析及计算结果,验证了光学系统在空间温度场与杂散光源下的可用性。5、对光机系统建模,并在有限元软件下进行了结构分析,验证了光机结构设计的可靠性;分析了发射前探测器常规安装误差对成像质量的影响,仿真结果表面本光学系统具有较强的安装适应性,再次证明了光学设计原则及像差校正的正确性。6、搭建了绝对畸变地面检测的原理样机,对已经加工好的一台空间交会对接光学系统进行了典型距离、正负全视场的绝对畸变测量,结果表明各归一化视场下的绝对畸变测量值与理论设计值具有极大的相似性,正负视场的绝对畸变测量值一致,验证了绝对畸变原理样机测量的准确性和稳定性。