为了适应现代靶场测量技术的发展，光电经纬仪逐渐向大口径、高分辨力、高跟踪精度和高指向精度的方向发展。显然，大口径经纬仪带来了如下问题：结构过于庞大、复杂；自身转动惯量大，导致伺服跟踪性能下降；大口径主反射镜的精密支撑问题；大口径经纬仪主系统温度适应性，等等。为了满足结构刚度和稳定性要求，保证系统精度的同时减少结构质量，需要借助有限元法对经纬仪的关键部件进行结构优化设计，并对全系统进行动、静态响应分析和热分析，使系统结构得到比较全面的优化。概述了国内外大口径光电探测系统的发展，介绍了国内外光电探测系统有限元分析的发展现状。详细解释了有限元技术的概念和理论基础，总结了优化设计的基础理论，重点阐述了拓扑优化的原理。以某1m口径光电经纬仪为研究对象，以提高结构刚度质量比为目的，对四通、转台、基座等关键结构部件进行结构优化设计，重点进行保刚度的轻量化设计。首先详细研究各部件的工作特点及与其他部件的连接关系，分别建立各部件合理的有限元模型，借助连续体拓扑优化获得部件的最优材料拓扑，在此基础上采用桁架结构构建轻量化模型，然后对结构重要参数做尺寸优化设计，最后对优化设计后的结构进行有限元分析验证。对主反射镜支撑技术进行研究，总结了主反射镜支撑结构设计的原则和镜面面型评价方法。分析了现有轴向和径向支撑结构的局限性，提出了适用于1m口径主反射镜的改进的主镜复合支撑方案，重点研究新的主镜轴向和径向支撑结构，并对主镜径向支撑和轴向支撑的相关参数进行优化设计。在对部分结构进行简化后，建立经纬仪全系统的有限元模型。对经纬仪进行系统级静力学分析，讨论了系统在工作状态下的变形和应力情况，计算在不同重力方向和静态风载作用下的主、次镜离焦和偏移情况。接着对经纬仪进行系统级动力学分析，包括模态分析、动态风载分析等。研究了经纬仪主镜在轴向和径向温差作用下的热变形。分析了经纬仪主系统所处的热环境，计算了主系统的温度场，进而对经纬仪的光学系统和机械系统进行热-结构耦合分析，讨论了温度场作用下主系统的性能表现。