针对目前“扫描式”反射光场测量系统依赖复杂机械装置、测量效率低以及“照相式”反射光场测量系统测量角度范围小等问题，提出一种基于超广角成像的粗糙面反射光场测量方法。分析了粗糙面反射光场测量原理，优化设计了折反射超广角成像光学系统，实现了天顶角范围0~54°的周视反射光场测量；校准了反射光场测量系统的空间关系与光场强度，校准后反射光场测量最大相对误差为4.12%，周视反射光场测量平均相对误差最大为2.06%；通过模拟Labsphere Permaflect-80漫反射板、WhiteOptics-DF60漫反射板和美国ACA镜面铝板3种粗糙面的反射光场测量结果，证明了所提表面反射光场测量方法的可行性，丰富了粗糙表面反射光场的测量手段，为对材料表面光学反射特性与损伤等的测量、模拟与重构提供了研究基础与技术支撑。

针对目前标准散射体定标存在定标时间长、定标后通用性差、定标结果无法溯源到气象光学视程（MOR）定义等问题，提出了一种可溯源至MOR定义的标准散射体定标方法，确定了一种标准散射体多角度同步定标光学系统架构，优化设计了照明光学系统与光场测量光学系统。照明光学系统的均匀性为98.53%，发散角为1.48°；光场测量光学系统的散射角度测量范围为20°~50°，散射角度分辨率为1°，周视角度分辨率为2°。研究了一种基于先验光场分布的定标系统能量校准方法，利用标准朗伯散射体仿真定标系统的能量校准误差，其中散射角度为31°时周视平均相对误差最大，为2.28%。据此，基于理想2700 K色温白炽灯的光谱分布仿真验证了可溯源至MOR定义的标准散射体定标方法的定标精度。结果表明：标准朗伯散射体散射角度20°~50°所表征的MOR量值范围为6.54~45.74 m，符合世界气象组织对MOR的定义，最大绝对误差为-2.41 m，优于国际民航组织规定的前向散射仪测量精度要求的1/10，为可溯源至MOR定义的标准散射体定标提供理论基础和技术支持。

为了实现校准能见度仪中标准散射体的快速准确定标，建立了用于校准能见度仪的标准散射体的定标系统.研究了定标系统中全景成像折反光学系统的设计方法.根据抛物面反射镜的光学特性推导出抛物面面型的计算方法.根据定标系统对光学系统的要求，完成全景成像色度计光学系统的设计.对全景成像折反光学系统进行建模仿真并设计实验验证光学系统的设计与仿真结果的正确性.实验结果表明: 全景成像折反光学系统的空间检测俯仰角范围为0°~90°，方位角范围为0°~360°，且最小角分辨率为1°，与仿真结果基本一致，满足用于校准能见度仪的标准散射体定标系统中光学系统的设计要求.

为了实现对用于校准能见度仪的标准散射体的快速准确定标, 通过测量标准散射体不同散射角的散射系数, 实现对标准散射体不同散射角所模拟的大气能见度进行准确定标并对定标系统进行校准.根据定标系统的组成与工作原理, 确定定标系统的校准方法并建立相应的校准链, 并设计校准链的各组成部分的校准方法.通过对已知散射系数的标准散射体进行定标, 验证校准后定标系统定标结果的准确性, 进而验证了定标系统校准方法的正确性.实验结果证明: 定标系统对标准散射体的散射系数定标结果的误差为7.93%; 经由定标系统定标的标准散射体所模拟的大气能见度的最大误差为8.61%, 满足用于校准能见度仪的标准散射体的使用要求.

为了实现用于校准能见度仪的标准散射体的快速高精度定标, 依据标准散射体校准前向散射式能见度仪的校准原理, 建立定标系统中光学系统的误差分析方法.分析标准散射体定标系统的工作原理, 结合其光学系统、机械结构的加工及装调偏差, 建立了标准散射体定标系统的光学系统模型并设计实验证明其正确性.分析影响定标系统中光学系统精度的主要误差, 得到标准散射体定标系统中光学系统的误差传递模型.通过对畸变偏差、像面位置偏差、主点位置偏差、像面倾斜偏差和焦距偏差的分析, 提出了一种系统综合误差分析的方法并建立了综合偏差模型, 对每个偏差单独分析, 得出畸变偏差、像面位置偏差、主点位置偏差、像面倾斜偏差和焦距偏差的偏差范围依次为0.024 mm, 0.399 mm, 0.02 mm, 0.28 rad和0.392 mm.该研究为提高用于校准能见度仪的标准散射体定标系统的精度以及校准时误差的来源分析与补偿提供理论依据.

为了满足星敏感器地面标定及配合多个单星模拟器使用要求，针对传统星模拟器光源的特点，设计了一种积分球与多光纤耦合的模拟器光源，每一单星模拟器星点亮度由每一路耦合光束控制。根据指标要求，在光度学角度上对能量进行分析，并确定光源、积分球以及光纤的选取。利用Light tools 建立仿真模型，分析仿真结果，最终结果表明该光纤耦合光源满足设计要求，每个星点用Light tools 模拟照度误差与实际模拟照度误差相近且两者均不大于±10%。