强对流云团是气象领域重要的研究对象之一。利用大气气溶胶多角度偏振探测仪(DPC) 观测数据对强对流云团进行偏振辐射特性研究,为强对流云团识别提供多维信息。以强对流云团、台风云团和非降水云团为例,研究表明:强对流云团反射率高于非降水云团,且其反射率空间分布更均匀;在发展旺盛的强对流云团中大部分是冰晶粒子,只有边缘部分有液态水存在,而其他非降水云团的相态分布差异较大;在相近的照明和观测几何条件下,强对流云团偏振角空间分布的离散性大于非降水云团,且两者偏振角均值差异大;强对流云团的偏振角图像可以很好地表征其轮廓特征。

云是海洋遥感的一项重要研究内容, 云检测精度对于海洋上空云微物理特性的反演和海洋水体观测具有重要意义。以高分五号卫星搭载的大气气溶胶多角度偏振探测仪 (Directional polarimetric camera, DPC) 在轨成像数据为研究对象, 提出了一种基于多角度偏振辐射信息的海洋上空云检测方法。首先用耀光角判别法区分出海洋耀光区域和非耀光区域, 然后利用多角度偏振信息对耀光区域进行云检测, 并基于反射率阈值、可见近红外反射率比值和偏振信息检验等方法对非耀光像元进行云检测。以印度洋和大西洋海域为例, 基于DPC数据进行了海洋上空云检测, 经过时空匹配后, 其结果与 MODIS (Moderate-resolution imaging spectroradiometer) 云掩膜数据一致性分别为 91.39% 和 94.73%。此外, 用法国 POLDER3 (Polarization and directionality of the earth′s reflectances) 数据验证了文中算法的有效性, 将云检测结果和 POLDER3 官方云检测产品对比, 一致性达到 90.40%。文中提出的多角度偏振辐射阈值云检测算法, 可为卫星观测的海洋上空云特性研究和海洋水体观测提供有效云检测数据。

大气气溶胶是气候变化与遥感定量化等的重要影响因素, 研究气溶胶光学特性具有重要意义。基于高分五号卫星搭载的大气气溶胶多角度偏振探测仪 (Directional polarimetric camera, DPC) 过境中国区域的数据, 开展了气溶胶光学厚度的反演研究。基于矢量辐射传输模型 6SV 计算构建气溶胶光学特性查找表, 采用 Ross-Li 地表 BRDF 模型和半经验 NB 模型计算地表贡献, 利用标量与偏振的多角度信息和查找表方法, 反演气溶胶光学厚度。DPC 气溶胶光学厚度反演结果与中国区域的 AERONET 地面站点测量结果吻合性较好, 线性拟合度较高, 相关性系数大于 0.8, 验证了算法的可靠性, 为 DPC 有效监测气溶胶的时空分布提供技术支持。

几乎所有小的气相分子（如H2O, CO2等）均具有独特的近红外吸收光谱, 在负压条件下, 每种微小的气相分子都拥有一对一的特征光谱线, 基于这一原理人们开始使用激光光谱（IRIS）技术来准确分析气体样品中的同位素组成。 该方法克服了传统同位素比质谱（isotope ratio mass spectrometry, IRMS）方法的局限性, 已经成为公认的高精度、 高灵敏度和高准确度的痕量气体检测方法。 以大气水汽稳定同位素研究为例, 大气水汽稳定同位素组成对水汽源区及其通道上的输送过程等水循环研究有着重要的指示意义。 激光光谱技术使得大气水汽氢氧稳定同位素（δ18O和δD）野外原位连续高分辨率观测成为可能。 但是, 其观测精度和准确度受仪器运作特点、 不同浓度大气水汽对特定光谱吸收性的敏感性差异等因素的影响, 通常观测结果具有明显的非线性响应问题。 因此, 有必要对仪器观测过程中出现的各种偏差进行校正, 但现阶段许多用户对新观测技术的国际校正方法尚不清楚。 因此, 基于波长扫描-光腔衰荡光谱（WS-CRDS）技术的大气水汽同位素观测系统（Picarro L2120-i）, 通过可调谐二极管激光器（Tunable Diode Laser, TDL）发射可被待测气体分子所吸收的不同波长的激光, 测量不同波长下的衰荡时间（即有样品吸收的衰荡时间）; TDL发射不能被待测气体吸收的不同波长的激光, 测量每个波长下的衰荡时间（相当于无样品吸收的衰荡时间）。 通过分析有无样品吸收的衰荡时间差, 高精度计算待测气体的分子浓度, 进而计算水汽稳定同位素组成。 从记忆效应、 漂移效应、 浓度效应等方面, 系统建立了一套准确可靠的大气水汽稳定同位素观测流程与校正方法, 为正在使用或将要使用此类设备的研究人员提供参考, 以获得高精度和高可靠性的大气水汽稳定同位素观测数据。

同色异谱现象是光谱反射率重建与颜色再现中的一个重要问题。 采用三基色CCD相机采集CIE标准光源D65下的颜色样品信号, 建立非线性复合模型, 使用主成分分析结合神经网络的方法（PCA-NET）改进基于同色异谱黑理论的R矩阵算法, 对标准Munsell色卡光谱重建进行研究。 在保证给定照明条件下的色度精度同时, 对光谱重建的结果进行了实验评价和讨论。 实验结果表明, 在给定的照明条件下, PCA-NET算法能够准确的拟合相机输出信号与主成分系数之间的非线性关系, 将其代替线性算法应用于R矩阵算法中时, 测试集的平均均方根值是未改进R矩阵算法的0.76, 平均标准差是R矩阵算法的0.85, 可有效提高光谱反射率的重建精度。 改进后的R矩阵算法具有精度较高、 操作简单易实现的特点, 可用于对重建色度精度及光谱精度均要求较高的领域。

零级漂移存在于时空联合调制型紫外傅里叶变换成像光谱仪干涉图中。对干涉结构中分束体光路的计算表明，分束体中的光学胶和棱镜在紫外波长范围内的折射率变化会导致零级漂移。但是棱镜装配错位会使零级漂移更为严重，导致有效干涉信息丢失及反演光谱曲线失真。数值仿真结果表明，提高分束体装配精度，可避免有效干涉信息的丢失。实际测量结果表明，含固有零级漂移的时空联合调制型干涉成像光谱仪的反演光谱曲线与高分辨率光谱仪测量数据一致。当分束体装配精度较高时，零级漂移不会影响成像光谱仪测量的准确性。

基于液晶可调变滤色器(LCTF)的光谱成像系统具有光谱分辨率高、结构紧凑、控制灵活等特点。搭建了一套可见光波段的高分辨率LCTF光谱成像系统, 对系统的光谱图像获取及彩色图像重建方法进行了研究; 建立了系统的光谱及颜色重建模型; 基于标准色卡及标准测色系统, 对该系统的颜色复现效果进行了实验验证; 实验结果表明, 该LCTF光谱成像系统的彩色图像颜色复现精度达可到较小色差水平。

双向反射分布函数（BRDF）是材料表面光学反射性能的重要指标。大多数测量系统都以理论上对入射照度和反射亮度的分别测量，结构上直观的弓型结构半球空间模拟为基础建立。为了提高BRDF量值计量的不确定度，提出了一种新型的BRDF绝对量值复现系统设计。理论上将所有测量量转化为一个测量量并用一个探测器实现测量，结构上尽可能减少光源和探测器等精密部件的空间转动，而以样品的多维转动实现BRDF的空间定位。实验分析表明，这样的系统设计提高了测量的不确定度，适合做BRDF的绝对量值复现，实现绝对测量，而传统的弓型结构适合做BRDF的相对测量，实现应用终端的大量测量。