基于全光时域线性正则变换器（temporal linear canonical transformer,TLCT）的光模拟信号处理技术,具有动态可调、功能多样、速率高等优势,相对于传统谐振型、多波导耦合型以及空域傅里叶变换型光模拟信号处理技术,可有效规避波长失准、分光耦合误差和空时耦合误差等瓶颈难题。在国家自然科学基金项目的资助下,本学位论文面向光通信物理层加密、光脉冲序列重复率倍频和光微分三个应用领域,以TLCT系统新结构的开发、新功能的挖掘以及性价比的提升为着眼点,开展深入的理论和仿真研究工作。所取得的主要创新成果如下:（1）类比几何光学中体光学元件或系统的射线矩阵、ABCD矩阵或传输矩阵,提出时频矩阵——光模拟信号时频平面的变换矩阵,用于简化对复杂级联时域光学系统的分析,包括对线性系统宏观积分表达式的确定,和对非线性系统微观时频分量坐标变换过程的分析。定义窄带色散元件和抛物线时间透镜两个时域光学元件的时频矩阵,利用矩阵左乘运算,简化由多个窄带色散元件和抛物线时间透镜级联构成理想TLCT的积分表达式推导过程,确定相应系统转化为时域夫琅和费变换器（time-domain Fraunhofer transformer,TFh T）、时域菲涅尔变换器（time-domain Fresnel transformer,TFr T）、频率到时间映射器、时间到频率映射器、时域成像器、时域分数傅里叶变换器和时域傅里叶变换器（time-domain Fourier transformer,TFT）等常用时域变换系统的条件。除具有常数元素和单位行列式值（正则）的理想TLCT时频矩阵外,还定义时间棱镜、时域光栅、时间反射镜等时域光学元件和非理想或变形TLCT的非常矩阵元、非正则的时频矩阵,并分析所描述元件和系统对光模拟信号时频分量的作用过程。研究成果为TLCT系统新结构的开发、新功能的挖掘和性价比的提升等研究,提供坚实的理论基础。（2）根据中心位置不同的但部分重叠的时域区间与方向不同的但空间范围重叠的平行线簇之间的相似性,提出空域柱面透镜的时域类似元件,即变形时间透镜（anamorphic time lens,ATL）。将ATL嵌入到两个相同的色散元件之间,提出一种新型TLCT系统,即变形TLCT（anamorphic TLCT,ATLCT）系统,动态性和随机性强,适用于光模拟信号加密应用。用ATLCT替换传统时域双随机相位编码（double random phase encoding,DRPE）和相位截断的DRPE（phase truncated DRPE,PTDRPE）光加密系统中的TFT,提出ATLCT-DRPE和ATLCT-PTDRPE两种时域光加密系统。相对于经典时域DRPE光加密系统中的TFT,ATLCT不具有解析和固定的特征信号,使得ATLCT-DRPE和ATLCT-PTDRPE系统能有效抵抗选择明文攻击和相位提取攻击。ATLCT中的ATL只能为暴力攻击所破解,而ATL的密钥空间可以有效限制暴力攻击。对非法接收者暴力攻击过程进行模拟仿真和分析评估,结果表明,ATL为ATLCT-DRPE和ATLCT-PTDRPE两种加密系统提供的密钥空间至少分别为2914和21277,远大于抵抗暴力攻击所需的密钥空间的下界2128。（3）结合梳状时域调制,提出基于TFT的相位码序列重复率倍频器和基于TFr T的扫频脉冲序列重复率倍频器,可分别突破传统重复率倍频器难以保持输入光信号局部细节相位特征和全局啁啾特征的限制。所提出的相位码序列重复率倍频器,与光外差技术结合,在提高脉冲压缩雷达的敏捷性和适应性方面具有重要应用价值。所提出的扫频脉冲序列倍频器,可调节相邻扫频光脉冲时间以及频率间隔,在5G无线通信领域的光辅助相控阵列天线方面具有独特的应用价值。研究成果是对TLCT处理相位编码光模拟信号潜力的深入挖掘。（4）提出基于TLCT的光微分器,突破传统全光微分器微分阶数可调范围狭小的限制。将时域幂函数调制嵌入到两个互逆TLCT之间,使微分阶数实时可调;采用级联调幅和调相的复值调制方法,实现任意整数和分数阶微分。阶数任意且可调全光微分器,在中继通信上有独特应用价值,可提高通信码元的切换灵活性,从而增强通信系统对信道质量的适应性。将TLCT具体化为TFh T,从而允许复用同一根线性啁啾光纤布拉格光栅实现互逆的TLCT,进而提高系统的结构紧凑性;用余弦而非抛物线时间透镜提高TFh T的时频映射分辨率,进而提高系统的性价比。采用复用低阶微分的反馈级联方法,缓解微分波形精度随阶数升高而恶化的光微分器共性问题。研究成果也为提升TLCT时频映射性价比提供一个可行方案。