长波红外差分干涉仪在低温工况下会因光学元件受到非均匀应力作用产生干涉条纹的畸变，从而降低干涉仪系统性能。本文为解决低温工况干涉条纹弯曲畸变问题，基于长波红外差分干涉仪光机系统进行了干涉条纹畸变影响因素分析，结合光-机-热耦合分析方法，对干涉仪系统低温工作状态进行仿真。随后设计了针对影响条纹畸变的关键元件——光栅元件的低温微应力动态稳定支撑安装结构，结构优化后的光栅表面面形均方根（Root Mean Square， RMS）值为3.89×10^-2 nm，面形峰谷值（Peak to Valley， PV）值为2.21×10^-1 nm，分别较优化前初始系统的分析结果减小了5个数量级，系统仿真干涉条纹畸变小于1个探测器像元。全系统低温验证试验表明，优化结构可有效抑制干涉条纹畸变，畸变量小于2个探测器像元，试验与仿真计算结果一致性较好，验证了优化分析方法的有效性。该优化方案对提升反射式光学系统结构低温稳定性，提高系统工作能力有较大意义和价值。

基于多光束干涉光谱成像原理，研究一种高空间分辨率甲烷气体点源探测方法。首先，介绍了甲烷气体探测仪的工作原理和探测方案，详细设计法布里-珀罗干涉仪的系统参数，并建立甲烷气体探测正演模型。然后，分析了干涉信号和甲烷浓度之间的对应关系，以及仪器参数对探测灵敏度的影响。最终，迭代优化得到各光学结构参数的最优取值。结果表明，在甲烷探测波段为1 630~1 675 nm，自由光谱范围为12.5 nm，光谱分辨率为0.1 nm，法布里-珀罗标准具腔长为0.08 mm，腔内反射率为97.5%，截止滤光片范围为（1 630±4）nm~（1 675±4）nm时，探测源25%浓度变化对应的干涉信号相对变化量范围为［0.65%，4.30%］，探测灵敏度较好。研究结果可为高精度碳监测提供理论依据和技术支撑。

为了探索基于氧气A带吸收谱线利用多普勒差分干涉仪实现对流层大气风场探测的技术可行性，建立了从大气吸收谱线入瞳临边辐射到干涉曲线的仪器响应函数数理模型，仿真分析干涉仪光学参数、滤光片参数、系统噪声、仪器稳定性和标准具离轴效应等对视线风速反演结果的影响，确定光学系统参数的最优取值范围。结果表明，对中心波长位于769 nm的氧气吸收线，当干涉仪非对称量取值6.5~6.7 mm，光谱分辨率取值0.49~0.51 cm-1，带通滤光片半波带宽取值0.12~0.21 nm，标准具间距取值0.8~1.4 mm，精细度系数取值30~100，标准具离轴角小于0.2°，标准具透射峰偏移小于0.018 cm-1，干涉图信噪比大于40倍时，风速反演精度优于8 m/s，研究结果可为被动式对流层风场探测以及相关仪器设计提供理论参考。

针对现有结构无法满足大尺寸差分干涉仪稳定性固定，以星载近红外差分干涉仪稳定性结构为研究目标，优化选择光学材料实现实体差分干涉仪的热补偿，提高了光学元件温度稳定性；以支撑结构的最大结构应力和光机粘接面处最大剪切应力小于许用应力为优化目标，建立数学模型，优化设计支撑结构参数，调节组件基频，提高了组件的力学稳定性。有限元分析支撑结构最大应力65.56 MPa，小于材料的抗拉强度，光机粘接面最大剪切应力3.4 MPa；环境温度变化5 ℃，分光棱镜面形RMS最大变化量1.671 nm，热应力带来的干涉图畸变可忽略。力学振动试验前后，光学测试干涉条纹频率（50个条纹数）未发生变化，差分干涉仪结构满足星载力学环境条件。该方法也适用于棱镜式干涉仪稳定性支撑结构。

星载测风干涉仪采用临边观测模式测量大气气辉谱线的多普勒频移来实现大气风场探测，干涉仪有效覆盖性会受到探测目标源及卫星平台模式的限制，在卫星任务规划前端对观测数据进行分析，判断其是否满足科学目标，对风场数据应用具有重要意义。首先，建立了临边观测几何模型，对卫星运行期间仪器的临边切点分布情况进行仿真；其次，探讨了影响仪器有效观测的主要因素，并以昼气辉探测为例，分析在不同时段下，太阳入射角与干涉仪有效时空覆盖性之间的关系；最后使用分离变量法研究卫星轨道参数对测风干涉仪有效覆盖性的影响，并评估不同轨道参数下的干涉仪对欧亚大陆的覆盖百分比。结果表明：1）影响仪器有效观测的因素主要为太阳天顶角和太阳散射角，太阳入射角影响切点纬度覆盖范围和切点地方时；2）卫星轨道倾角和轨道高度共同决定仪器有效覆盖效率，且轨道倾角为欧亚大陆覆盖百分比的主要影响因素，当轨道倾角在60°~80°之间时，覆盖百分比可达到百分百。文中为星载干涉仪的后续设计及性能评估提供了观测几何框架，实现了载荷观测覆盖效能的定量分析，且该模型具备泛用于其他各类大气光学遥感载荷观测模式分析的能力。

星载多普勒差分干涉仪通过探测气辉光谱测量中高层大气风场，为降低低层大气背景辐射的影响，需要设计杂散光抑制结构。以基于500 km轨道高度的卫星平台对60~90 km高度的中层大气风场探测为例，选取典型气辉辐射强度与大气背景辐射，依据不同高度下大气背景辐射强度变化，结合光学系统参数设计遮光罩。仿真分析多普勒差分干涉仪系统内部产生杂散光的关键面，设计杂光抑制结构，并评估干涉仪非工作级次能量对成像造成的影响。点源透过率分析和像面照度仿真结果表明：水平方向和对角线方向上，视场外0.2°处点源透过率下降到10^-5以下，竖直方向上，视场外0.04°处点源透过率下降到10^-5以下；大气背景辐射和鬼像占像面总能量的1.35%。所提杂散光抑制方法满足星载多普勒差分干涉仪对杂散光抑制的技术要求。

大气风场是理解地球大气系统动力学、热力学特性的重要参数，是气象预报、空间环境监测、气候学研究等必须的基础数据。基于测风干涉仪的被动光学遥感是中高层大气风场测量的主要技术手段。多普勒差分干涉测风技术是一种新型行星大气风场探测技术，该技术通过对干涉图相位的反演来探测大气气辉辐射谱线的多普勒频移，从而实现大气风场探测。经过近二十年的时间，多普勒差分干涉仪的基础理论、干涉仪设计、系统研制工艺、数据处理与风速反演等方面取得了一系列研究成果。本文回顾了大气风场探测多普勒差分干涉仪技术的国内外研究进展，讨论其技术特点和应用潜力，为未来大气风场被动光学遥感探测技术发展和我国大气风场探测领域任务规划提供参考。

为了解决多普勒差分干涉仪风场探测技术中，干涉图畸变对风速反演带来的系统误差，通过对大气气辉氧原子红线和绿线的正演干涉图添加不同类型、大小的干涉图畸变，仿真对比了含畸变干涉图与理想干涉图反演多普勒相位的差异，得到干涉图畸变对多普勒相位反演精度的影响。结果表明多普勒相位误差随着目标风场与干涉图畸变程度增大而增大，其中条纹局部弯曲影响最大，且弯曲范围越小越靠近采样中心误差越大。通过局部弯曲对不同条纹频率系统产生的误差仿真表明，等量的弯曲对条纹频率高的系统产生更大影响。此外含畸变干涉图多行像元合并时局部调制度降低，不会增加相位不确定度，因此即使干涉图存在缺陷也可以进行多行像元合并，提高信噪比，降低相位不确定度。研究结果为多普勒差分干涉仪的设计、加工、装调指标提供了定量理论依据。