羟基OH对于人类理解中间层化学成分非常重要, 它是大气光化学反应中重要的氧化剂, OH在308 nm波段受到太阳能量激发, 发射出OH Ａ２Σ＋－Ｘ２Π(０, ０) 荧光信号。 为了探测中间层大气中OH自由基的紫外共振荧光发射信号, 从复杂背景信号中分离目标信号, 研制了中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪, 光谱范围为308.2～309.8 nm, 光谱分辨率为0.008 25 nm。 临边观测主要探测大气散射信号, 能量来源为大气中的粒子, 包括大气分子与气溶胶、 云等对太阳能量的散射作用。 中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪基于空间外差光谱技术, 可以在设计的闪耀波长范围内获得极高的光谱分辨率, 适用于大气成分的精细探测。 通过在前置或后置光学系统中加入柱面镜, 总视场内的场景被分成多个视场切片, 每一个视场切片的干涉图分别成像到对应的探测器行上。 利用空间外差光谱仪具有空间维分层成像功能, 临边观测时可以同时获取不同高度层大气吸收光谱的散射辐射信号, 无需像传统临边探测遥感器在不同高度层进行扫描来获取大气高度维的廓线信息。 为了验证中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪的临边散射信号探测能力与对观测几何的敏感性, 进行了地面临边观测实验, 探测紫外308 nm波段大气散射信号。 模拟临边观测几何, 选取晴朗无云的一天, 在空旷场地对大气散射信号进行观测。 由于仪器基于空间外差光谱技术, 需要对干涉数据进行干涉误差修正与光谱复原。 对一段观测时间内间隔10分钟的干涉数据进行光谱复原并定标, 得到最终临边观测光谱。 由于散射信号的主要来源为大气分子对太阳光的散射作用, 因此光谱中应包含太阳光谱高分辨率精细特征信息。 从高分辨率太阳光谱中选取三个特征信息窗, 分析观测光谱中对应波段, 三个特征信息窗完全匹配, 验证了中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪的超高分辨率光谱探测能力和光谱精细信息提取能力。 将太阳辐射计实时测量获得的气溶胶光学厚度及根据观测时间计算的太阳天顶角与太阳方位角输入辐射传输模型SCIATRAN, 结合对应日期与经纬度的大气廓线数据库, 得到模拟光谱, 将实测结果与辐射传输模型结果进行比对, 两者残差较小。 实测结果与模拟结果存在的残差, 可能是由于大气环境参数并没有完全符合实测状态, 后续可使用当地实时温湿压廓线对模拟数据库进行替换, 使辐射传输模型更接近实际状态。 与辐射传输模型对比的结果验证了中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪的散射信号探测能力与对观测几何的敏感性, 验证了在轨探测多谱段、 宽谱段大气散射光谱与OH目标信号的可行性, 为在轨探测OH目标信号提供了理论与实验基础。

针对中高层大气OH自由基的星载探测应用,给出一种基于空间外差光谱技术的临边探测方案。借助卫星平台的运动,呈正交布置的双通道光谱仪可以分时获取同一区域的一系列视线观测辐亮度,最终反演OH自由基数密度的三维分布。每个通道均包含柱面望远、准直镜头、一体化空间干涉组件和成像镜头,可以同时探测不同高度层的OH自由基辐亮度,具有光通量大、结构稳定、小型化等特点。以紫外波段(308.2~309.8 nm)和光谱分辨率优于0.01 nm的要求进行中高层大气OH自由基临边探测为例,给出了光学系统设计的过程和结果,并利用太阳跟踪器进行了地基太阳光谱观测实验。结果表明:光学系统设计可满足探测指标的要求,实测太阳光谱与理论光谱特征一致性较好,为星载中高层大气遥感探测技术提供了参考。

利用基于空间外差光谱技术的中高层大气OH自由基甚高光谱探测仪,配合太阳跟踪器,对晴空太阳直射光谱进行测量,获得了308 nm波段高分辨率的太阳直射光谱。对干涉数据进行去暗电流、去基线、相位校正和傅里叶变换等处理,得到最终的干涉光谱图。利用辐射传输模型模拟理论上到达地面的光谱,将实测结果与理论模拟结果进行比对发现,光谱匹配一致,这为在轨探测高分辨率太阳光谱与目标散射信号提供了实验数据。

便携式空间外差拉曼光谱仪集成了光学功能镜头、干涉仪组件,以及探测器和激光器等热辐射器件,因此仪器在使用过程中存在着较为复杂的热环境,环境温度变化导致光学系统性能下降。采用光机热集成分析方法,重点研究了环境温度及热辐射器件对关键器件成像镜头的性能影响。在便携式空间外差拉曼光谱仪光学和结构方案设计的基础上,建立热-结构耦合模型；仿真得到成像功能镜头内镜片的间距和面形的变化,并利用Zernike多项式拟合其变化；将拟合结果代入光学设计软件中进行成像质量评估和分析。结果表明,在使用环境温度(-10℃~40℃)范围内,调制传递函数在光谱仪截止频率76.9 lp/mm处对比度均优于0.38,满足便携式空间外差拉曼光谱仪的使用要求。

针对多普勒非对称空间外差干涉技术，提出一种目标信号相位自校正的方法.首先通过连续采样单色光的干涉图跟踪绝对相位漂移；然后分段线性拟合不同风速下的干涉相位，通过计算两条拟合曲线距离去除相位漂移.搭建风速模拟实验平台，获得采样干涉图，并对相位误差进行校正.结果表明，在60.37 m/s的模拟风速下，相位漂移误差达到30.78 m/s，通过相位校正风速反演误差降低至3.51 m/s，风速精度得到较大改善.最终通过几组不同风速下的反演值得到了平均2.97 m/s的风速测量精度.

多普勒非对称空间外差干涉仪可用来探测氧气大气带气辉谱线的多普勒频移，进而反演中高层大气的风速。由风速变化引起的干涉条纹相位频移十分微小，而由系统误差导致的绝对相位漂移会严重影响风速反演精度。双臂式干涉仪与单臂式不同，除受扩视场棱镜和光栅影响之外，用于产生光程差的空气隔片的热膨胀也会影响干涉图的绝对相位。通过实测和仿真计算不同温度下的绝对相位漂移，分析了绝对相位漂移的原因。在此基础上，提出了一种绝对相位漂移校正方法，通过求零风速和某一给定风速下两条线性相位拟合曲线之间的距离，校正温度引起的绝对相位漂移，从而准确反演风速。结果表明，仿真分析与实测的绝对相位漂移具有较好的一致性。校正绝对相位漂移后反演的风速误差为3.5 m/s，与校正前相比风速反演误差得到了极大的改善。

空间外差拉曼光谱技术是一种新型拉曼光谱探测技术, 具有光通量大、 高分辨率、 无移动部件等技术优势, 非常适用于行星探测任务中, 对行星表面的矿物及有机物进行分析, 探寻可能存在的生命标志物。 作者将这一技术运用于远程拉曼光谱探测中, 对远程空间外差拉曼光谱仪的光谱分辨率、 光谱范围及信噪比等主要特性进行了分析与实验验证。 文章对远程空间外差拉曼光谱探测的基本原理进行了简述, 设计搭建了一套实验平台, 并进行了定标, 验证了其性能参数。 在此基础上, 获取了10 m处部分无机固体样品、 有机样品及天然矿物的拉曼散射信号, 对系统信噪比进行了估计。 由于装调精度不高、 光学器件缺陷等原因, 系统远非理想。 但测试结果表明, 对于大部分样品的主要拉曼散射峰, 系统信噪比优于5, 基本可以满足清楚分辨典型拉曼谱峰的要求, 依然可以证明这一技术的可行性。 空间外差拉曼光谱技术可以弥补色散型光栅光谱仪与傅里叶变换型光栅光谱仪的主要技术缺陷, 在行星表面物质探测与分析领域具有较大的应用前景。 作者对于这一技术的研究一定程度上证明了空间外差拉曼光谱技术在远程探测方面的潜力, 可为远程空间外差拉曼光谱仪的工程实现提供参考。

利用非对称空间外差光谱技术和多普勒效应, 通过测量中高层大气气辉谱线的干涉图, 采用傅里叶变换的方法求解相位, 获得大气的风速信息。 分析了干涉数据的处理方法, 并针对干涉相位的求解进行推导。 相比于传统观空间外差数据处理, 不仅要考虑噪声和系统误差, 而且要考虑用于光谱隔离的窗函数引入的相位误差。 通过软件模拟了窗函数的类型和窗长度对干涉数据和风速误差曲线的影响; 在此基础上选择合适的窗函数模拟了对干涉图添加噪声和平场因子情况下的风速反演误差。 结果说明, 虽然窗函数造成了干涉图和相位的畸变, 但是使用汉宁窗在合适的光程差处能够使其引入的误差低于5%; 同时, 噪声的仿真说明, 风速误差随着系统噪声的增加而增大, 在实验过程中控制噪声以及实验数据预处理对于控制风速精度的必要性。 数据处理方法的研究和相关的仿真, 对于提高空间外差风速测量精度及系统设计提供了理论参考, 具有一定的指导意义。

空间外差光谱仪采用窄带滤光片限制仪器光谱范围，避免光谱混叠。滤光片透过率曲线随入射光角度的变化导致准直系统出射光场呈现随波长变化的非均匀现象。对光场非均匀性机理进行理论推导，证实滤光片调制作用造成复原光谱中卷积了与波长相关的调制函数，导致单色光光谱半峰全宽随波长变化。根据理论公式并结合实验室空间外差光谱仪参数进行了仿真分析，表明光场存在短波下凹和长波上凸的滤光片调制效应。开展了实验室单色光扫描实验，实验测量结果与理论分析和仿真结果一致。提出了一种包络线拟合校正方法，仪器线型函数半峰全宽变化量由校正前的16.7%下降为0.2%，有效去除了滤光片调制函数对仪器线型函数的影响。

Offner反射式成像镜头相比于透射成像镜头具有适用波段范围宽、像差小、相对数值孔径较大、结构简单紧凑以及空间适应性良好的优点。结合空间外差技术特点和要求，给出了一种Offner成像镜头的设计方法和光路结构。该设计通过在出射光路中加入透镜改变缩放比，离轴装配消除像差的方法，可以满足空间外差光谱仪中对定域面干涉条纹进行任意比例缩放的要求。在系统要求数值孔径为0.042、缩放比为-0.86221的条件下，给出了设计实例，且点列图最大均方根半径优于1.81 μm。最后对该系统进行了像质评价和公差分析，分析结果表明其成像质量可以满足空间外差光谱仪对成像镜头的要求，在现有加工和装配水平条件下可工程化实现。