太阳辐射测量是研究太阳活动与地球气候演变的重要方式之一, 对人类社会的可持续发展具有重要意义。衍射效应作为测量过程中系统误差的主要来源之一, 有必要进行精确的修正, 从而提高测量数据的精度。首先, 对衍射效应理论进行研究, 从Kirchhoff衍射理论出发, 在高斯光学近似下, 逐步确定点与点, 点与面, 面与面之间的能量传输关系, 推导出了衍射效应的一般公式; 接着, 根据衍射效应的渐近性质, 得到了一种简化的计算方法; 然后, 用简化的方法计算太阳辐照绝对辐射计(SIAR)的衍射效应以及衍射修正因子, 最后, 根据衍射修正结果, 计算相对于世界辐射基准(WRR)的定标系数。结果显示: SIAR的衍射效应以及衍射修正因子分别约为1002 742和0997 265。经过衍射修正后, SIAR对WRR的定标系数更接近于1, 表明衍射修正降低了系统误差, 提高了辐射测量的准确度。

针对绝对辐射计光电不等效性来源复杂、实验测量难度大的特点，提出了修正太阳辐照度绝对辐射计(SIAR)光电不等效性的有限元单元法。结合SIAR的测量方法，对真空中辐射计的腔温响应进行了实验测试。基于有限元单元法，建立了与实验腔温度响应相对误差仅为0.14%的有限元模型，对接收腔的温度响应进行了实验测试。测试结果显示: 入射光功率为73.8 mW时，接收腔与热沉之间的温度差异约为0.85 K，响应的时间常数为29.8 s。运用建立的有限元模型对SIAR的光电不等效性进行了评估和修正。 结果表明: 太阳辐照度绝对辐射计的光电不等效性来源主要为不同加热途径和不同加热区域引起的偏差，SIAR的光电不等效性因子N为0.999 621±0.000 004。该修正模型完善了仪器的修正体系，提高了测量精度，为绝对辐射计的发展提供了可靠的数据来源。

Offner成像光谱仪在大色散需求下成像质量不足并且易发生光线遮挡，为此设计了一种基于罗兰圆条件的非共面Offner结构光谱仪。分析并推导出了一种非共面Offner结构成像光谱仪的消除像散及彗差同时解决光线遮挡的设计方法。使用该方法设计出光谱范围为350~1000 nm，色散宽度为12.6 mm 的成像光谱仪。在奈奎斯特频率(30 lp/mm)下其调制传递函数在全视场、全光谱范围优于0.78，点列图均方根半径优于4 μm，同时，系统的谱线弯曲及谱带弯曲均小于1%像元尺寸。最后，将非共面Offner结构成像光谱仪与传统Offner结构进行对比，结果表明，在高光谱分辨率需求下，当入射狭缝较小时，非共面Offner结构光谱仪具有更好的成像质量，并且在谱线弯曲及谱带弯曲的控制上具有优势，可用于小体积高光谱分辨率成像光谱仪器设计。

针对实验方法获取光谱响应函数存在时效性差和过程复杂的特点,提出了一种基于惠更斯点扩散函数仿真光谱响应函数及光谱分辨率的方法,该方法综合考虑衍射及像差信息,在光学设计阶段即可获得任意标称波长处的精细光谱响应函数及光谱分辨率.对自行设计的工作范围为1 000 nm~2 500 nm的光栅光谱仪进行单波长及全谱段光谱响应函数仿真,并以几何光线追迹法作为对比.结果表明,基于惠更斯点扩散函数仿真的光谱响应函数带宽始终大于后者获得的带宽,在全波段范围内二者偏差介于2%~5%,且前者变化会同时受衍射及像差影响.两种方法对数坐标表示的光谱响应函数比较表明,相对强度在10－2~10－5时,衍射效应明显,而低于10－5时仿真结果中衍射的影响可以忽略.该方法对分辨率为10 nm的光谱仪仿真过程中产生不确定度为0.25nm.

为了基于测温电阻实现空间低温辐射计的腔温测量,研究了系统的电子学测量精度和测量稳定度.结合实际电子学需求,进行方案设计和器件选型,提出了一种新型的基于超低噪基准源LTZ1000ACH,四线制柱状锗电阻GR1400-AA和24位模数转换器LTC2400的对偶相消式精密电压测量系统. 对于整个链路信噪比进行了逐级理论计算和分析,并通过电路仿真软件TINA-TI对系统幅频特性和温度响应特性进行了仿真分析,最后在77K液氮环境下对该系统进行了测温精度和长期稳定性测试.实验结果表明:锗电阻实际采样电压值在100 μV内波动,长期测量稳定度达到1×10-5;在77 K液氮环境下,系统测温精度达到4 mK,长期稳定性达到1×10-5.得到的结果基本满足空间低温辐射计电子学部分的设计指标要求.

为了避免太阳敏感器(DSS)指向故障导致星载太阳辐射监测仪(SIM)功能失效,为风云三号(FY-3(03))卫星的太阳辐射监测仪(SIM)设计了备份跟踪方式程控太阳跟踪并分析了其跟踪精度.利用星上儒略日时间和卫星轨道瞬根,基于类基准地表辐射网(BSRN)算法推导了轨道坐标系太阳矢量、俯仰角和偏航角.将计算结果与卫星给定指向数据进行了比较.结果表明:太阳矢量三轴偏差均小于0.1°,俯仰角平均偏差为0.024 6°,偏航角平均偏差为-0.080 4°.对利用程序计算的多轨道指向数据进行了太阳模拟跟踪控制实验,结果表明:SIM俯仰跟踪控制精度优于0.1°,偏航跟踪控制精度优于0.05°.为保证在轨跟踪精度,试验了俯仰零点角和偏航零点角,其分别为80.46°和-36.96°.最终分析结果表明,俯仰程控跟踪不确定度为±0.318°,偏航程控跟踪不确定度为±0.316°,满足SIM太阳跟踪精度±0.5°的要求.设计的太阳程控跟踪降低了SIM对光学指向器件的依赖,提高了在轨太阳跟踪的可靠性.

为提高成像光谱仪的工作波长范围，提出了基于双波段焦平面探测器(FPAs)的双衍射级次全共路Offner成像光谱仪结构。该结构中凸面光栅的一级衍射光和二级衍射光完全重叠共路传输，并可由焦平面处的双波段红外焦平面探测器IR FPAs实现级次的自然分离和同时探测。分析了该结构的工作原理和设计方法，基于几何光线追迹法仿真了谱线弯曲和色畸变特性，基于Huygens点扩散函数(PSF)仿真了光谱响应函数(SRF)并导出了光谱带宽。实验显示: 双衍射级次共路Offner成像光谱仪的工作波段为3~6 μm(二级衍射)和6~12 μm(一级衍射)，谱线弯曲和色畸变均小于0.5个像元宽度，光谱带宽分别为13.2~14.3 nm(二级衍射)和28.3~33.3 nm(一级衍射)，两个工作波段内的衍射效率均大于或等于20%。整个系统结构简单紧凑、光谱范围宽，满足对地物或深空目标的中等分辨率的中远红外光谱探测需求。

针对多模制导中长焦距红外光学系统结构紧凑及宽温度范围热稳定性的要求, 设计了一种中波红外折反光学系统。该系统根据其它模式制导的要求, 采用固定焦距和口径的主镜, 通过二次成像,在保持长焦距的同时减小了透镜的口径,降低了到达中继成像系统主光线的高度, 同时也降低了制造成本。设计了波长为37~48 μm、焦距f为300 mm、F数为2的中波红外成像系统。结果表明, 该系统结构紧凑像质优良, 各视场光学传递函数均大于06, 接近衍射极限, 并且在-50~70 ℃可实现光学被动消热差。针对该光学系统进行了公差分析并提出了抑制杂散辐射的方法, 该系统满足实际加工和应用需求。

由于FY-3(01)星和FY-3(02)星宽视场扫描式太阳辐射监测仪(SIM)测量时间短、精度低, 本文利用FY-3(03)星SIM实现了太阳的高精度跟踪测量。首先, 分析了SIM太阳跟踪精度指标、跟踪转动范围, 测试并确定了数字太阳敏感器(DSS)的视场范围、频率、分辨率, 标定了DSS在轨像面辐照度。为消除跟踪抖动现象, 分析测试了控制时间间隔和跟踪精度的关系, 确定了理想控制时间间隔为500 ms。外场和在轨实验结果表明, SIM太阳跟踪精度优于±0.1°, 俯仰在轨跟踪精度为0.029°, 偏航在轨跟踪精度为0.025°, 原始太阳总辐照度(TSI)值为1 353.1 W/m2。另外, DSS太阳指向精确, 跟踪控制可靠, 大幅增加了TSI监测时间。FY-3(03)星SIM在太阳同步轨道卫星上实现了TSI的太阳跟踪测量, 跟踪精度是国际空间站(ISS)同类载荷CPD跟踪精度的10倍。