基于仪器的光学视场特性进行有限视场和离轴效应的光谱模拟，研究针对面阵傅里叶光谱仪光谱校正的方法。首先，开展仪器线型函数（ILS）影响分析，确定不同影响因素（有限光程差、有限视场、离轴效应等）的分析方法；其次，以面阵型圆形探测器为例，结合仪器自身光学特性，构建仪器线型函数模型；然后，利用气体吸收光谱模拟离轴效应产生的光谱定标误差和光谱敏感性；最后，基于FY-3F/HIRAS-Ⅱ发射前光谱定标数据，进行光谱校正和定标精度验证。实验结果表明：有限视场和离轴效应使得光谱存在展宽，并向低波数方向偏移。经过光谱定标和校正，中心最差像元光谱定标精度由-24.69×10^-6减小到0.54×10^-6，边缘最差像元由-513.38×10^-6减小到-0.15×10^-6，且3个波段内所有像元均满足小于7×10^-6的指标要求。

碳卫星超光谱探测仪聚焦于陆地生态系统植被碳汇和森林蓄积量探测， 利用670~780 nm谱段的光谱绘制植被荧光的时空分布规律， 满足全球碳汇定量监测、 森林植被生产力评估的需求。 如何有效地标定超光谱探测仪的光谱参数， 建立探测仪和被测光谱信息的对应关系是定量化反演的基础。 通过光栅方程推导了超光谱探测仪的光谱数据误差模型， 并结合光学系统的弥散斑分布函数， 卷积得到了超光谱探测仪的仪器线形函数（ILS）分布规律。 仿真结果表明， 仪器线形函数是缓慢变化的， 在一个小光谱范围内ILS可以近似认为是一致的; 波长误差是一个系统误差， 主要由光栅制造误差等引起， 采用已知波长特征谱线标定的方法可以消除。 通过真空罐模拟在轨环境， 建立了包含可调谐激光器、 波长计、 旋转散射片、 积分球和平行光管等装置的光谱定标系统， 提供线宽小于0.001 nm均匀分布的单色标准光源， 利用自动化数据处理系统测试探测仪响应曲线和单色标准光源的对应关系， 标定超光谱探测仪的光谱参数。 超光谱探测仪光谱采样率2.5像元左右， 单波长光谱的有效数据点少， 无法给出ILS函数的精确数据， 以0.015 nm波长间隔单波长扫描的新方法将光谱采样密度提高2个数量级， 高斯拟合获取光谱分辨率， 数据处理结果表明超光谱探测仪光谱分辨率为0.24~0.26 nm。 通过选取特征波长和三次多项式拟合的方法得到波长定标方程， 给出了全部像元的光谱定标数据， 选取特征波长验证拟合波长残差， 结果表明定标精度优于0.005 nm。 为了进一步验证光谱定标结果， 开展了超光谱探测仪的地面推扫成像实验， 利用中国科学院空天院怀来试验站的测试平台， 获取了松树林和石子路面的光谱数据， 超光谱探测仪测量的大气吸收线和HITRAN模拟的大气吸收线比对结果表明， 氧吸收线中心波长偏差小于0.003 nm， 证明超光谱探测仪光谱定标精度满足指标要求。

气溶胶在大气辐射收支平衡、气候变化、降水、云的形成以及环境污染方面扮演着重要的角色。为了实现对气溶胶光学参数的大范围、高精度、定量化测量，2019年3月使用大气环境星气溶胶碳探测激光雷达（ACDL）的机载缩比系统（Air-ACDL）在中国山海关地区开展了机载观测试验。试验完成了不同污染天气、不同高度以及不同地表类型下的多架次观测。将六天飞行试验得到的机载高光谱激光雷达（HSRL）测量的气溶胶光学深度（AOD）分别与地面站点的太阳光度计和卫星遥感数据进行对比分析，其相关系数R均达到0.90以上，其样本数量分别为86与2200。基于机载HSRL的观测数据，提出了适用于Air-ACDL的气溶胶分类方法，并对山海关地区的气溶胶进行了分类研究。使用后向轨迹传输模型、云气溶胶激光雷达和红外探路卫星观测（CALIPSO）气溶胶分类结果，以及Aura卫星臭氧监测仪（OMI）传感器等数据验证Air-ACDL测量的气溶胶分类的可靠性。多架次Air-ACDL观测结果表明：相比于传统激光雷达气溶胶分类方法，基于Air-ACDL的气溶胶分类方法能够对气溶胶进行更加准确的分类；山海关地区地理位置特殊，观测期间，当地气溶胶除由本地供暖等活动产生的城市气溶胶之外，还有受大气传输影响来自内蒙古地区的沙尘气溶胶，以及来自东南渤海地区的海洋气溶胶。

为实现对全球气溶胶光学参数剖面的高精度测量，采用基于碘分子滤波器的高光谱分辨率探测技术。结合欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的大气再分析数据集（ERA5）的温度和压强数据，选取在轨期间途经撒哈拉沙漠和加拿大山火区域的星载高光谱分辨率激光雷达（HSRL）的观测数据，对沙尘类气溶胶和烟尘类气溶胶的光学特性进行分析，包括气溶胶的后向散射系数、消光系数、退偏振比和雷达比。结果表明：撒哈拉沙漠地区近地面5 km以内的气溶胶分布主要以沙尘类气溶胶为主，其退偏振比集中在0.2~0.4，雷达比数值集中在40~60 sr；加拿大山火地区的气溶胶主要以烟尘类气溶胶为主，其退偏振比集中在0.02~0.15，雷达比在50~70 sr范围。激光雷达特有的高光谱探测技术，在气溶胶和云的精细化探测和分类方面具有重要应用，将在环境监测中发挥重要作用。

为了实现光丝激光雷达系统的天基应用，开展了天基光丝雷达光谱仪光学系统设计，根据应用需求确定光谱仪光学系统构型主要由望远系统、狭缝、准直系统、平面光栅、成像系统构成；为了解决谱段宽可能引入的色差问题，光谱仪系统采用全反射结构设计；完成了光学系统与各项指标分析，通过设计可达到以下指标：光谱仪谱段范围为320~950 nm，光谱分辨率为2 nm，光谱仪最大色畸变为1.1 μm（即0.07 pixel），3个像元内的能量集中度大于96%，光学传递函数MTF在3.7 lp/mm下可达到0.99。所设计的光谱仪系统可用于星载大气成分高分辨率光谱探测。

近红外光谱分析技术在航空航天、 生物医药、 环境检测、 食品安全等众多领域均有广泛应用。 高性能、 微型化、 低成本近红外光谱仪是制约基于近红外连续光谱分析的微小型检测装备发展的主要瓶颈, 是当前光谱仪发展的主要研究方向。 提出了一种基于微光机电系统(Micro-optical electro-mechanical system, MOEMS)集成扫描光栅微镜和改进型非对称式切尼-特纳(Czerny-Turner, C-T)光学结构的微型近红外光谱仪系统结构, 分析了光谱仪系统和集成扫描光栅微镜的工作原理, 基于光栅相关参数和光谱仪性能指标要求确定了集成扫描光栅微镜最大扫描角度。 分析了改进型非对称式C-T初始光学结构像差, 基于ZEMAX光学设计平台完成了光谱仪光学系统的仿真和优化设计, 确定了系统关键参数。 仿真分析了平凸柱面透镜对改进型非对称式C-T光学结构系统分辨率、 检测灵敏度等性能参数的影响。 基于仿真优化结果, 完成了微型近红外光谱仪机械结构设计、 加工与装调, 搭建实验平台完成了光谱仪相关性能参数测试。 结果表明, 设计的基于MOEMS集成扫描光栅微镜和改进型非对称式C-T光学结构的微型近红外光谱仪, 采用重庆大学自主研发的谐振频率为677.1 Hz的MOEMS集成扫描光栅微镜来实现同步扫描和分光, 0.8 ms时间内即可完成一次波长范围800～1 800 nm的光谱测量, 光谱准确性与国外品牌光谱仪比较无明显差异, 光谱整体分辨率半峰全宽（FWHM）≤11 nm, 波长稳定性≤±1 nm; 基于平凸柱面透镜的光学结构设计可将探测输出光强值提高15%以上, 可有效提高光谱测量的灵敏度; 同时, 经过平凸透镜二次聚焦后的光斑尺寸更小, 可选用感光面积小、 截至频率大的单管探测器实现光谱探测, 可降低系统成本、 抑制外部光噪声, 满足扫描频率较高的扫描光栅式光谱仪的光谱分辨率需求。 因此, 提出的基于MOEMS集成扫描光栅微镜和改进型非对称式C-T结构的近红外光谱仪满足高性能、 微型化和低成本的光谱仪发展需求。

考虑到多纵模高光谱分辨率激光雷达（MLM-HSRL）接收的大气弹性散射回波具有与激光器发射光束一致的高斯传输特性，因此分析马赫-曾德尔干涉仪（MZI）光程差和透过率时必须要考虑发散角的影响。详细分析入射光束的发散角对大光程差MZI分光性能的影响，仿真计算得到基于空气腔的大光程差MZI所允许的光束发散角要≤0.4 mrad。为了降低发散角对大光程差MZI分光性能的影响，提出一种基于补偿玻璃的大光程差MZI的视场展宽技术。理论分析和仿真结果表明，视场展宽后系统可允许的发散角可达25.6 mrad，视场展宽技术极大地提升了大光程差MZI的分光能力。