光学系统受环境振动的影响会发生光轴偏离而引起光路失调,导致激光光束的指向稳定性下降。对于一般的光学系统,光学镜片体积小刚度大,当所受振动激励较小时,激光光束传输计算方法可以仅考虑光学镜片刚体位移导致的光轴偏离。然而,对于精密光学系统,当振动激励较大或光学镜片刚度较小时,光学镜片的弹性形变引起的光轴偏离对激光光束指向造成的影响不可忽略。为提高振动环境中精密光学系统激光光束指向稳定性必须研究计及镜片弹性形变的激光传输计算方法以及光束指向控制方法。针对现代光学应用中提升高精度激光光学系统指向精度的迫切需求,通过理论推导、数值仿真以及实验验证三个手段,系统深入地研究了振动环境中计及镜片弹性形变的激光光束传输分析方法,并利用此分析方法研究了光学系统光束指向控制问题。本文主要工作如下:1.研究了考虑镜片弹性形变的光学系统光路描述基本理论,提出了振动环境中激光光束传输矢量分析方法。(1)在光学系统中,提出了光束空间矢量描述方法,解决了光束在空间中的位置和方向的描述问题,推导了采用空间矢量表示的光学传播基本定律公式。(2)基于光束矢量描述方法,建立了反射、折射、平移失调、旋转失调等激光传输及光学元件基本行为的空间矢量计算方法。在此基础上研究了共轴光学系统和失调光学系统激光光束传输计算方法。(3)提出了考虑镜片弹性形变的光束传输计算方法。对比了该方法与镜片刚体假设光束传输计算方法,通过对比研究,验证了本文提出的振动环境中弹性体镜片激光光束传输计算方法的有效性。2.研究了振动环境中光学系统元件动力学建模问题,基于该动力学模型,设计了含压电作动元件的主动光学调整架。(1)建立了光学调整架含连续接触力的动力学模型。在建模过程中分析了一类典型光学调整架内部结构的连接关系,推导了光学调整架螺纹副接触碰撞问题的连续接触力模型。(2)在光学调整架模型的基础上,设计了用于激光光束指向控制的主动光学调整架,建立了压电作动器的非对称滞回非线性模型。研究结果表明:本文所建压电滞回模型可以准确模拟不同频率下的滞回特性曲线。3.开展了振动环境中光学系统激光光束指向控制研究,设计了光束指向控制仿真系统。(1)针对光束指向控制精度要求高的特点,在经典模糊控制理论的基础上,引入了被控对象偏差积分以及偏差二阶微分输入项,提出了用于激光光束指向稳定性控制的四输入模糊算法。针对该算法计算量大的问题,提出了四输入模糊控制的分组模糊推理方法,实现四输入模糊控制降维,减小了方法计算量。研究表明:四输入模糊控制算法稳态静差小,相比PID控制,收敛速度更快。(2)建立了基于主动光学调整架的光束指向控制器。控制仿真验证了主动光学调整架应用于激光光束指向控制的有效性。(3)建立了基于快反镜(FSM)的光束指向控制器。通过将四输入模糊控制与PID控制仿真结果进行对比,验证了四输入模糊控制方法的有效性。(4)建立了基于主动光学调整架和快反镜联合的光束指向控制器。提出了利用主动光学调整架和快反镜对光束指向进行联合控制的二级控制方法。通过将基于主动光学调整架控制、快反镜控制以及光学调整架-快反镜联合光束指向控制的仿真结果进行对比,证明了光束指向联合主动控制可以提高光束指向精度。4.建立了激光光束测量与控制实验系统,进行了振动环境中激光光束指向控制实验研究。(1)设计并建立了激光光束测量控制实验系统,并建成了光学设备要求的无尘、恒温、恒湿的实验环境。该系统能够完成半物理实验仿真并可用于光束空间位置测算。(2)通过压电作动器滞回补偿控制实验以及主动光学调整架阶跃响应实验,验证了文中所建立的光学调整架系统及其作动器模型的合理性。(3)通过基于主动光学调整架、快反镜以及二者联合的光束指向控制实验,验证了本文所设计的含作动器光学调整架作为激光光束指向主动控制装置的有效性;验证了四输入可变模糊控制器在光束指向主动控制应用中的有效性;验证了主动光学调整架-快反镜联合主动控制可以提高激光光束指向控制精度。论文提出了激光光束传输的空间矢量分析方法,建立了利用空间矢量进行共轴光学和失调光学计算的一套方法,解决了考虑弹性形变的光束传输分析问题,具有较大的理论意义。同时论文设计了主动光束指向控制系统,研究了基于主动光学调整架的激光光束指向控制问题,并进行实验研究,获得了较好的光束指向控制效果,可应用于激光通信、大型空间望远镜等光学系统以提高激光光束指向精度,具有较高的工程应用价值。