多轴差分吸收光谱仪（MAX-DOAS）结合计算机断层重建算法可获取目标痕量气体的空间分布情况。 为研究在具有背景浓度的条件下, 如城市背景下某个竖直截面上重建NO2空间分布的可行性, 设计了气体浓度可控条件下的验证性实验; 证明了利用MAX-DOAS在竖直平面重建NO2气体分布的可行性。 将充入标准气体的JGS1石英玻璃样品池作为研究对象, 使用两台MAX-DOAS采集光谱数据。 将气体浓度的梯度作为先验信息, 利用经典的ABOCS算法和Barzilai-Borwein算法重建了竖直平面内的NO2气体分布, 验证了利用MAX-DOAS在竖直平面内重建NO2气体空间分布的可行性, 同时确定了背景浓度对重建结果的影响。 研究结果表明, 以天空为背景的光谱作为参考谱和以空样品池为背景作为参考谱, 反演得到的NO2浓度非常接近, 因此研究对象中的样品池容器在NO2竖直平面分布重建方法中对实验结果的影响可以忽略。 实验中以市区为背景的MAX-DOAS具有较高的背景浓度, 特别是在仰角较低的情况下NO2背景浓度几乎达到6×1016 molec·cm-2, 以城市郊区没有明显的污染源为背景的MAX-DOAS, 背景浓度较低可以忽略。 重建结果显示, 当仰角为28°时, 气体沿光路的平均分子数密度为3.932 7×1015 molec·cm-2, 且在样品池内下部密度大, 上部密度小; 重建得到的SCD和测量得到的SCD符合比较好, 计算结果显示重建得到的气体分子数密度的峰值为5.77×1015 molec·cm-2, 与以城市郊区为背景的MAX-DOAS反演结果较为接近, 而以市区为背景时, 特别是仰角较小时, NO2背景浓度特别明显, 重建结果比测量结果的值小很多。 结果表明, 背景浓度在重建图像中表现为伪影, 影响对气体分布的观察, 而如果在重建算法时加入利用样品池内外气体存在浓度突变这一先验信息, 能够减轻背景浓度对重建结果造成的影响。

采用四通道凸面光栅成像光谱仪设计了星载大气痕量气体差分吸收光谱仪, 该光谱仪用天底推扫方式探测地球地表或天空散射光信号, 基于痕量气体对不同谱段光信息的“指纹”吸收和差分吸收光谱算法定量获取大气痕量气体分布。针对该光谱仪的大视场、宽谱段、高分辨率(光谱、空间)等特点, 提出了相应的光谱定标和辐射定标方法, 建立了定标系统, 实现了对载荷的光谱定标和辐射定标, 并对其定标的不确定度进行了分析。结果表明, 载荷光谱定标不确定度为0.027 nm, 辐射定标不确定度为2.96%, 满足给定的技术指标要求, 为载荷的定量反演提供了保证。

考虑杂散光对星载大气痕量气体差分吸收光谱仪测量精度的影响，设计了遮光罩和其他消杂光结构来抑制杂散光，并对杂散光进行了分析。利用TracePro软件分析了系统紫外通道1(240~315 nm)的杂散光水平，确定了杂散光传输的一次、二次散射路径。根据杂散光传输路径，计算了杂散光评价指标点源透射比(PST)曲线，结果显示杂散光抑制措施效果明显，PST小于3×10-5，中心视场杂散光照度水平为5.472×10-4，最终杂散光水平达到了设计指标要求。采用截止滤光片法测量了系统的杂散光水平，结果表明：中心视场杂散光比值为8.167×10-4，和仿真结果接近，验证了仿真过程的准确性，说明设计的消杂光机构能够满足抑制系统杂散光的要求。