为了提高CO2探测仪的在轨辐射定标精度, 建立了在轨辐射校正原理, 并对关键环节漫反射板的制备、BRDF定标和应用进行了系统的研究。根据CO2探测仪的工作原理与系统组成, 介绍了星上定标设备和在轨辐射定标策略, 确定了漫反射板的制备方法和优化工艺参数, 制定了以标准灯和标准探测器为传递链路的漫反射板BRDF的精确定标方法。对漫反射板基准BRDF、角度修正因子和半球反射率进行了测试, 对其实验室定标精度进行了分析, 并通过在轨初期的应用结果予以验证。发射前的定标结果表明, 漫反射板在760 nm、1 610 nm和2 060 nm 3个波段的定标精度均优于3%。在轨初期的测试结果表明CO2探测仪1 610 nm波段在轨绝对辐射定标精度优于5%。CO2探测仪漫反射板的定标结果满足仪器辐射定标对漫反射板定标的精度要求。

为了完成碳卫星高光谱CO2探测仪的发射前光谱定标，建立了光谱定标系统，并对定标系统设计、所采用的自动化数据采集和数据处理算法等进行了研究。根据CO2探测仪的探测原理介绍了载荷的光谱性能要求，描述了定标系统的设计与所采用的仪器设备，说明了采用自动化数据采集、旋转积分球、功率校正与暗背景校正等改进的定标方法。最后，介绍了光谱定标的数据处理方法。发射前定标结果表明: 载荷三个波段的ILS能量集中度分别大于0.80，0.81和0.78; FWHM分别为0.039 2~0.042 4 nm，0.123~0.128 nm和0.157~0.168 nm; 光谱采样率区间分别为2.12~2.95、1.97~2.27和1.92~2.26。对发射后实测太阳夫朗禾费光谱进行了评估，结果表明:中心波长偏差小于0.0013，0.058和0.065 nm。CO2探测仪整体的光谱性能指标能够达到系统设计要求。

为了降低重力、力学试验、发射条件以及因材料线胀系数差异导致的热变形对CO2探测仪反射镜面形产生的影响, 从反射镜组件材料选择、结构设计和配合方式几个方面进行了分析。采用SiC材料制作反射镜, 结合反射镜的环形支撑方式, 通过有限元分析对镜体进行轻量化设计。选取线胀系数较小的殷钢材料, 利用三角形结构的稳定性和双脚架柔性结构的灵活性设计出简易可靠的反射镜支撑结构。反射镜与支撑结构接触面为1∶50的锥度面, 通过环氧树脂进行胶接。在严格的工艺条件控制下, 对反射镜组件进行精密加工和装配。对反射镜组件进行力学试验测试, 结果表明在X向、Y向、Z向的一阶频率分别为445, 423和444 Hz, 与有限元分析结果接近。试验后镜面面形变化量PV值小于1/10λ, RMS值小于1/30(λ=632.8 nm)。证明了CO2探测仪反射镜组件结构设计与装调的合理性, 满足空间高光谱成像要求。

基于能量集中度的装调方法采用一套由可调谐激光器、积分球、平行光管和数据采集处理软件等组成的精细定焦系统, 以确定CO2探测仪1 610 nm通道光谱仪的最佳焦面位置并完成探测器的精确安装, 以像元光谱响应曲线(ILS)的全高半宽度(FWHM)作为聚焦评价函数, 通过调整探测器方位遍历搜寻该函数最小值并作为正焦的最终评价依据, 进而完成光谱仪的精细定焦任务。定焦结果显示：探测器获得的光谱响应曲线平均半宽度为0128 1 nm, 与理论值吻合良好。该系统不仅操作简单、结构紧凑且具有较高的定焦精度, 也为光谱仪定标等后续工作提供了实验保障。

空间多用途双面反射镜是某型星载高光谱成像仪的关键光学元件,其设计与制备是高光谱成像仪工程研制阶段必须解决的重要问题.介绍了一面为光学反射面、一面为漫反射面的双面反射镜构成方案;综合考虑了两种反射面特性要求选用了6061铝合金作为镜体材料;从径厚比、轻量化结构形式、安装界面等方面开展了反射镜的结构设计和有限元分析;在此基础上探索了合理的制备工艺并完成了研制工作;介绍了双面反射镜性能测试装置并给出了测试结果.测试结果表明,6061 铝合金双面反射镜光学面面形均方根值达到0.023λ(λ=632.8 nm);正入射条件下漫反射面的归一化漫反射特性与标准漫反射板相当,能够满足工程研制需要.

根据宽视场大相对孔径成像光谱仪的应用要求和技术指标, 采用离轴Schwarzschild望远成像系统和双Schwarzschild光谱成像系统匹配的结构型式, 设计了一个视场为28°、相对孔径为1/2.5、工作波段为0.4～1 μm的机载成像光谱仪光学系统;根据双Schwarzschild光谱成像系统的像散校正条件计算了初始结构参数。然后, 利用光学设计软件ZEMAX-EE进行了光线追迹和优化设计, 并对设计结果进行了分析与评价。 结果显示: 光谱成像系统中心波长和边缘波长88%以上的能量集中在一个探测器像元内;谱线弯曲和谱带弯曲均小于像元的5%, 便于光谱和辐射定标;成像光谱仪全系统在各个波长的光学传递函数均达到0.59以上, 完全满足设计指标要求。该成像系统体积小、重量轻, 非常适合航空遥感应用。

随着地面遥感、 航空与航天遥感、 等离子体物理、 定量光谱学等研究的发展, 对光谱辐射定标精度提出了越来越高的要求, 推动了基于可调谐激光的光谱辐射定标新型技术的发展。 国际上英国、 美国、 德国等国家的计量科研机构相继建立了溯源于低温辐射计、 低不确定度的基于可调谐激光的光谱辐射定标装置, 用于探测器、 遥感仪器光谱响应度定标和特性研究。 其中美国国家标准技术研究院(NIST)的均匀光源光谱辐照度和辐亮度响应度定标装置(SIRCUS)和德国物理技术研究院(PTB)的光度学可调谐激光装置(TULIP)最具代表性。 相对于灯-单色仪系统, 在辐射定标应用中, 基于激光的光谱辐射定标具有光谱带宽窄、 波长精度高、 定标不确定度低等众多优点。 本文介绍了基于激光的光谱辐射定标的发展状况和以英国国家物理实验室(NPL)、 NIST和PTB为代表的基于激光的辐射定标装置结构与性能, 分析了基于激光的光谱辐射定标技术优势, 并进一步阐述了此技术的应用。 基于激光的光谱辐射定标装置可广泛应用于重要的高精度系统级辐射定标测量, 包括亮度温度、 空间遥感仪器辐照度和辐亮度定标, 推动航空航天、 大气物理、 光谱学、 生物科学等科研、 工业领域的发展。

为验证CO2探测仪光学设计的合理性和可行性, 采用单通道模拟样机, 利用太阳光加漫反射板模式对大气光谱进行实验测试, 并在实验室对单通道模拟样机进行光谱定标。利用光谱配准算法对两种方法得出的谱线位置进行匹配计算, 结果表明: 在吸收线深度稳定位置的配准峰值点偏差小于0.006 nm, 满足算法的精度要求。此种方法不仅验证了匹配算法的有效性, 也验证了光学系统设计的合理性和可行性, 为以后的光谱仪设计提供了理论与实验数据。

宽视场大相对孔径航空高光谱成像仪已成为航空海洋水色遥感等领域的迫切需求,根据宽视场和大相对孔径的研究目标,采用离轴两镜消像散望远镜和改进型Offner光谱仪匹配的结构型式,设计了一个视场40°、相对孔径1/2.2、工作波段0.4～1.0 μm的航空高光谱成像仪光学系统,在传统Offner光谱仪中插入同心弯月透镜来提高Offner光谱仪的相对孔径和成像质量.运用光学设计软件ZEMAX对高光谱成像仪光学系统进行了光线追迹和优化设计,并对设计结构进行了分析.结果表明：光学系统各个波长的光学传递函数在奈奎斯特频率28 lp/mm处均达到0.67以上,谱线弯曲和谱带弯曲均小于6.5%像元,便于光谱和辐射定标,完全满足设计指标要求,且体积小、重量轻,适合航空遥感应用.