为满足海洋水色卫星遥感器在轨定标与真实性检验需求，研制了一套三通道同色散光路、同系统定标、同步观测的水体表观光学特性测量系统（WAOPAS）。WAOPAS的光谱范围覆盖350~900 nm，光谱分辨率优于3 nm，具备自动调节观测几何、自动增益积分时间、数据远程传输和自动预处理功能，可实现全天候无人值守观测。3台传感器采用相同的色散采集单元设计，使WAOPAS具有相同的光谱范围和采样间隔，分辨率最大差异为0.26 nm，保证了光谱测量匹配性。海面辐亮度、天空辐亮度及海面入射辐照度的快速同步多次采集，最小化了天空光变化和海面波动对测量精度的影响。辐亮度与辐照度采用同一定标系统、近同步定标方案，遥感反射比测量不确定度同步降低了0.34%~0.83%（比例系数K=1）。开展了与国际主流测量仪器的户外比对试验，结果验证了所研制系统的测量可行性。

为高精度监测太阳光谱辐照度变化, 设计一款高精度太阳光谱辐照度仪用于获得太阳光谱辐照度数据。该辐照度仪设计了三种光路完成性能指标, 其主光路用于测量光谱辐照度, 参考光路用于波长标定, 太阳跟踪光路用于室外精密跟踪太阳。详细介绍了辐照度仪主光路的设计, 主光路采用 Féry 棱镜进行色散与会聚, 辐照度仪入射狭缝通过 Féry 棱镜成像到棱镜焦平面。通过旋转棱镜, 在辐照度仪焦平面通过两个单元探测器获得 380～2500 nm 光谱辐照度。通过理论分析和实验验证, 在 380～2500 nm 光谱范围内仪器的光谱分辨率小于 40 nm。采用标准灯对太阳光谱辐照度仪进行光谱响应范围验证, 结果表明仪器的光谱范围满足测量需求。

针对当前气候变化对太阳光谱辐射的观测需求, 为精确监测太阳光谱辐照度, 研制了波长扫描型太阳光谱辐照度仪。该太阳光谱辐照度仪主要由光谱测量单元和波长扫描单元组成, 其中波长扫描单元作为色散光谱的精密定位机构, 是保障仪器测量精度的关键。为此, 设计了基于小型交流伺服电机的波长精密扫描定位装置, 采用定时器主从方式控制电机旋转, 并利用 STM32 驱动线阵 CCD 工作, 结合 CCD 检测的光斑质心位置与预设位置的偏差进行闭环控制, 闭环控制精度小于 2 个像元宽度。最后, 对线阵 CCD 的质心位置检测的重复性以及扫描定位装置的稳定性进行测试, 测试结果表明 CCD 质心位置检测的标准差为 0.0693, 最大偏差不超过 0.3 像元宽度, 系统运行时闭环精度小于 2 个像元宽度, 满足波长扫描的重复性和稳定性要求。

针对我国高精度立体测绘卫星系统中激光测高仪的在轨场地检校的技术需求, 研制了激光脉冲探测器系统。系统采用高速 PIN 探测单元及高速数据采集电路实现了 ns 级脉宽激光脉冲的定量化采集, 通过集成无线射频模块实现脉冲探测器的数据远程传输。为保证脉冲探测器的野外应用性能, 系统进行了能量密度测试、能量响应一致性与稳定性测试、探测器测量视场角测试等。试验结果表明脉冲探测器可以实现 1～120 nJ·cm－2 的能量范围采集, 能量响应的一致性优于 5%, 稳定性优于 1.5%, 并且可以实现 ±12° 角度范围内的激光脉冲的有效采集。最终探测器成功应用到我国“高分七号”卫星激光测高仪的在轨检校中, 获得了探测器阵列的有效激光触发数据, 为激光测高仪的在轨检校试验提供了有效的数据支撑。

针对目前卫星遥感器进行场地定标的光谱观测仪器的应用需求，设计了可见近红外波段（0.4 μm~1.0 μm）的光谱辐射采集电路系统，并结合光谱辐射采集模块进行了应用与数据分析。重点介绍了线阵探测器的选型与驱动需求，并完成了基于STM32微处理器的设计。结合辐射观测需求，在信号处理部分使用仪表放大器运放对探测器的模拟输出信号进行处理，并采用STM32内部的A/D转换器采集。分析数字信号输出的结果，该辐射测量电路系统的的采集数据达到了1 LSB的数据精度（≤0.8 mV）。探测器电路系统应用到光谱辐射采集模块中，进行了户外应用与数据分析，光谱辐照度比对结果的偏差小于5%。光谱辐照度的比对结果证明整个系统可以直接进行产品应用，满足野外辐射测量数据的可靠性获取。

为了实现地表反射率长期自动化观测,提高场地定标频次, 提出了一种基于比值辐射测量的地表反射率测量方法。利用场地反射率监测辐射仪和野外光谱辐照度仪进行同步观测, 获取同一时间的地表辐亮度和大气总照度,通过比值法即可直接获得地表反射率参数。设计了基于标准辐射源的实验室辐射定标, 分别获取辐射计和照度仪的定标系数,进而获得基于比值法测量地表反射率的输入系统参数。在室外开展了标准板测量比对实验, 在可见-近红外波段比值辐射测量结果与实验室定标后参考板方向反射率数值的相对偏差在3%以内,验证了该测量系统的有效性。

介绍了自行研制的太阳反射波段超光谱辐照度仪的光机系统设计。仪器的光谱范围为400~2500 nm,包括三个分光探测单元,可实现太阳总辐照度、天空漫射辐照度、太阳直射辐照度和漫总比的长期自动测量。为验证光机系统设计的合理性,对外场实验数据进行了分析。通过与传统人工测量漫总比数据的对比,发现两种方法的漫总比偏差小于2%。仪器具备与传统测量方式相当的辐照度测量精度,在卫星遥感器自动化定标中具有一定的优势。

针对我国光学遥感卫星高频次和高精度定标的技术需求, 以及目前人工定标的不足, 研制了超光谱比值辐射仪系统.该仪器具备长期自动观测功能, 光谱范围为400~2 500 nm.光机系统主要由前置光学系统和光谱模块组成.根据场地定标中的参数需求与自动化定标的目标, 设计积分球测量总辐照度, 并通过遮挡的方式实现漫射辐照度的测量, 获得卫星定标中的漫总比数据; 设计光学镜头测量地面辐亮度, 从而实现大气-地表辐射特性的自动观测.同时仪器集成了定标数据实时预处理和远程传送等功能.为验证仪器的野外环境适应性和自动化测量数据的可靠性, 与传统人工测量地表反射率与漫总比的方式进行了外场对比实验.实验结果表明, 两种方式所测的总辐照度、漫射辐照度和直射辐照度的相对偏差均小于5%, 漫总比的绝对偏差均小于0.025%; 所测反射率整体趋势相同, 且二者的偏差普遍在±1%以内, 最大偏差小于±2.5%.超光谱比值辐射仪具有较高的自动化测量精度, 能够替代人工测量大气辐射特性参数和地表反射率, 实现较高的测量频次, 在遥感卫星自动化定标领域具有广阔的应用前景.