为满足全谱段高光谱成像探测一体化应用需求，开展了可见至长波红外（LWIR）共口径成像光谱仪光学设计。前置像方远心物镜采用离轴三反结构实现，利用视场分离分光和分色片分光相结合的方法实现了可见至LWIR的四谱段划分。后置光谱仪采用非对称式凸面光栅Offner结构，将中波红外（MWIR）与LWIR光谱仪的放大率设置为0.90和0.61，以满足设计指标和成像质量的要求。设计和分析结果表明：所提系统在600 km轨道高度处的幅宽为30 km；可见至短波红外（SWIR）的F数为2.6，可见/近红外（VNIR）光谱分辨率和SWIR光谱分辨率分别优于5 nm和10 nm，像元分辨率为30 m；MWIR谱段和LWIR谱段的F数分别达到2.3和1.5，光谱分辨率分别优于50 nm和100 nm，像元分辨率分别为50 m和74 m；各谱段在Nyquist频率处的调制传递函数（MTF）均接近衍射极限，谱线弯曲和色畸变均小于探测器像元尺寸的1/10。

为模拟实战环境下半主动激光制导的目标回波能量, 设计并研制了注入式激光能量模拟设备。对激光制导能量传递过程及模拟技术进行研究。首先, 针对激光制导**工作过程, 建立了激光在大气中传输发生散射与衰减的模型, 并针对实战中存在的各种烟雾、降雨、干扰烟剂等进行建模仿真。接着, 设计了激光目标回波能量模拟器的总体方案, 选用DPS-A激光器和布儒斯特角薄膜偏振器模拟激光衰减过程。设计了光纤耦合与匀光准直系统。最后, 构建了激光制导半物理仿真系统, 分别进行了激光回波能量模拟实验、激光导引头标定与激光末制导试验。实验结果表明: 激光能量模拟误差小于30%,导引头线性角度范围内残差小于008°, 测角精度小于045 mrad, 末制导过程体视线角跟踪误差小于02°。该系统可模拟多种实战环境中激光能量传输情况, 且精度高, 能够满足激光制导半物理仿真要求。

为了解决多通道型偏振成像仪的偏振定标问题, 提出了一种基于积分球无偏光源的偏振定标方法。通过研究偏振光束与光学器件的相互作用, 推导出多通道型偏振成像仪的矢量辐射传输模型, 确定了需要标定的参数。运用无偏光源标定系统的偏振效应, 基于矢量辐射传输模型对中心视场绝对辐射定标系数、光学镜头起偏度和系统低频相对透过率等关键参数进行了标定, 通过分析标定结果求解了系统全视场的穆勒矩阵。最后, 使用可调偏振度光源验证了仪器典型视场的偏振定标精度。研究结果表明, 基于无偏光源的偏振定标方法可以有效提高多通道型偏振成像仪的偏振定标效率; 经偏振定标后仪器在目标偏振度低于20%时的偏振测量误差小于1%, 满足大气气溶胶测量精度的要求。

针对实验室偏振光谱测量系统短波红外起偏效应大、测量偏差大的问题, 建立了系统目标斯托克斯校正模型, 提出了该模型中相关系数的测量方法, 从而实现了系统偏振效应的精密校正。首先分析了实验室常用的低成本分时偏振光谱测量系统存在的主要问题及起偏效应的来源。然后根据偏振传输理论, 将系统中起偏效应较大的波谱仪等效为检偏系统, 建立了目标偏振信息的校正模型, 并通过与理想模型的对比验证了模型的正确性。最后针对本测量设备, 为提高校正系数的测量精度, 在解析法的基础上提出了一种更精确的拟合法。实验结果表明, 本方法的校正精度高于0.5%, 满足实验室中对目标偏振信息处理的精度要求, 对偏振光谱测量系统的研制和标定具有指导意义。

为满足偏振遥感系统对探测精度的要求，采用多线阵分焦平面型偏振探测系统分析了消光比对偏振探测精度的影响，并构建了偏振辐射传递模型。介绍了分焦平面型偏振仪器的结构，结合国内外微型偏振片的加工技术，采用多线阵微型偏振片替代微偏振片马赛克阵列的探测方法分析了金属线栅微偏振片消光比对偏振探测的影响，推导了光学系统及非理想偏振片的偏振传递矩阵，根据偏振辐射传递理论构建了偏振探测系统的校正模型。基于校正模型制定了相应的参数标定方案，为实验室偏振辐射标定提供了理论基础。模拟及实验结果表明，在受限于设备稳定性的情况下，系统探测精度可达到0.5%，满足偏振探测精度要求。

物质的偏振特性与其复折射率、表面粗糙度以及观测几何条件有关，为了应用偏振探测技术实现对目标的定量反演，本文首先对两种典型目标(绿漆涂层和石英玻璃)的偏振特性进行了实验测定，并对偏振度与探测天顶角的关系进行了分析。利用实验数据并基于描述目标偏振特性的PG模型首次在考虑了粗糙度的影响下，对目标的折射率、消光系数进行了定量反演，最后将反演结果与参考结果进行比较。结果表明，石英玻璃的折射率相对误差为4944 9%，绿漆涂层的折射率与消光系数的相对误差分别为11%和21558 9%。该方法在考虑表面粗糙度的条件下能够更精确地测定物质的复折射率，同时也为偏振技术应用于目标定量反演提供了依据。

为了提高光谱偏振调制器的探测精度, 提出了光谱偏振调制器的高精度装调方法。首先, 分析了光谱偏振调制器的调制原理, 提出了采用三片多级相位延迟器加线偏振器的装调方案; 然后, 建立了调制器装调的数理模型, 设计了校准多级相位延迟器的厚度; 最后, 对成像过程进行了计算机仿真实验验证, 并模拟了成像系统的装调过程。结果表明: 利用该方法能够灵敏检测偏振器件间的微小相对旋转角度误差, 可实现调制器的高精度装调, 在输入本文设定的校准光谱条件下, 绝对精度可达02°。该方法保留了传统光谱调制器充分利用通道带宽的优势, 保证了复原光谱的分辨率, 为强度调制型光谱偏振成像系统的精密装调提供了一定的理论参考。

为了研究温度对机载成像光谱仪光学性能的影响，分析了机载环境下仪器温度载荷的特点，阐述了温度载荷的作用机理和表现形式，研究了光谱仪的热光学性能。首先，分析了机载环境下温度载荷特点；其次，以最小二乘法和坐标转换法为理论依据，编制了面形误差及刚体位移求解程序，并结合有限元法计算了光机系统在温度载荷作用下各镜面的变形值和刚体位移大小；最后，对变形后的光学系统进行了光线追迹，求解了镜面刚体位移导致的谱线位置变化，研究其谱线漂移特性，并计算了刚体位移对传递函数(MTF)的影响。计算结果表明，±10 ℃温度变化范围内，谱线漂移量小于光谱定标精度要求的1/3，不需要再进行光谱定标和光谱修正；系统传递函数也能够满足成像质量要求。这些结论会对仪器研制有很大的工程实用价值。

气溶胶是影响地球气候和环境的不确定因素之一, 星载被动光学遥感具有大视场、宽波段、高时空分辨率等优势, 已成为云与气溶胶探测的有效手段之一。本文简述了云与气溶胶光学遥感探测的必要性和可行性, 详细介绍了国内外典型云与气溶胶光学遥感仪器的系统组成、主要技术参数和方案特点, 并基于现有仪器的不足和气溶胶反演需求, 指出了云与气溶胶光学遥感仪器的发展趋势, 给出了新一代云与气溶胶光学遥感仪器的方案设计结果。集成大视场、中等分辨率、多角度、多光谱、宽谱段、长寿命的高精度偏振测量是新一代星载云与气溶胶光学遥感探测仪的首选方案和发展趋势。

为了满足激光制导对大视场、高线性度探测的性能要求, 基于激光制导炸弹的应用需求, 介绍了四象限探测器的工作原理和特点, 分析了光斑大小、能量均匀性、线性度、探测距离等参数对探测精度的影响; 结合系统性能指标, 选择了合理的光学系统结构类型, 完成了光学系统设计和光机结构设计; 利用畸变、点列图、足迹图、能量集中度等指标对系统性能进行了评价, 并分析了目标大小和探测距离对光斑大小的影响。测试结果表明, 激光导引镜头总视场为±20°、线性视场为±10°、目标大小为1.5～2.4 m、探测距离为50 m～4 km、测角精度优于0.2°, 能够满足激光导引的需求。