作为提高光学成像系统分辨率的重要方式,大口径光学系统及其合成孔径技术已成为天文与空间光学、空间目标探测与识别等领域发展的必然方向。然而大口径面形的轮廓与干涉测量无法满足快速、全口径和高精度的检测需求。逆向哈特曼方法具有结构简单、动态范围大、精度可靠、效率高、成本低和无损测量等优势,日益成为大口径光学测量领域的研究热点。在此基础上发展的共轴逆向哈特曼检测,消除了由探测器离轴偏量造成的成像误差,进一步提高了系统测量精度。系统标定及质心提取是逆向哈特曼系统实现高性能检测的关键,但目前仍然存在标定方法应用局限性、通用质心算法抗噪性能较低、探测器因外部干扰或内部结构像差而存在质心偏移等问题。本文基于共轴逆向哈特曼系统,在标定方法、质心算法和质心偏移等方面展开深入研究与分析。本文的主要研究内容与结论为:(1)对传统和共轴逆向哈特曼测量原理及关键技术进行研究,探讨斜率拟合方法,分析系统测量范围、测量分辨率等基本系统特性,为后续研究提供理论基础;(2)设计共轴逆向哈特曼光学结构,确定实验系统各项参数;基于光斑质心跟踪的方法,实现亚像素量级的系统校准精度,为后续研究提供实验基础;(3)为解决标定方法的应用局限性,提出光线-质心拟合(Rays-centroids fitting,RCF)的系统标定方法,其原理是使用阵列图像基准点,建立光阑入射光线角度与探测器像面质心的对应关系,实现共轴逆向哈特曼系统的标定;分析标定中由绝对距离定位误差对标定及测量结果造成的影响,并进一步提出基于差动原理的RCF标定方法(RCF-D标定),从而通过高精度相对距离量测量实现系统的标定,解决了逆向哈特曼方法标定技术成本高、难度大的问题;(4)针对目前质心算法存在噪声抑制能力较低的现状,以共轴逆向哈特曼系统的点扩散函数(Point Spread Function,PSF)分布研究为基础,提出超高斯质心提取算法。首先建立基于Lommel方程的衍射弥散圆模型,分析该模型与艾里斑相关系数满足0.9999<r<1的高斯近似条件;使用不同算法对衍射弥散圆光斑进行质心提取实验,在高斯拟合的基础上,提出二维超高斯拟合质心计算方法,进一步提高了光斑轮廓拟合与质心计算精度;此外还将二维与一维均值超高斯拟合方法应用到条纹图像的质心提取中,证明了超高斯拟合方法对条纹图案质心计算的准确性;加噪条件下的质心模拟实验表明,超高斯拟合质心提取算法具有更强的噪声抑制能力,进一步提高了共轴逆向哈特曼系统的测试性能;(5)针对探测器外部噪声和内部微透镜阵列(Micro-lens array,MLA)像差造成的质心偏移现象,本文进行了理论模拟和实验验证。在基于噪声干扰的质心偏移实验中,质心偏移量随噪声干扰的增强而增大,而二维超高斯拟合方法得到的质心偏移量小于传统算法约0.01 pixel~0.1 pixel,有效减小了由于噪声干扰造成的质心偏移误差。在基于MLA像差的质心偏移实验中,定义了存在MLA像差时的图像质心表达式,并通过光学模型设计模拟质心偏移量,表明MLA造成质心偏移的实质是其像差导致的光能传递误差;质心偏移的验证实验得到了与模拟实验相一致的质心偏移量。本研究为分析逆向哈特曼测量中特定噪声环境及探测器MLA像差造成的质心偏移提供了理论与实验方法。对于共轴逆向哈特曼方法,本文内容与结论在促进其系统应用和提高其检测精度方面具有一定的研究意义。