太阳上层大气，即日冕、过渡区和色球，是由炽热的高度动态的磁化等离子体构成，其中高度电离的离子发射出丰富的极紫外谱线。空间太阳极紫外光谱成像观测对于捕获太阳上层大气中爆发活动的动态物理演化过程，以及实现对大气等离子体特征参数的精确测量具有重要的意义。然而现有的极紫外光谱成像仪器只能针对太阳上层大气的一个或两个目标区域进行成像观测，缺乏采用单一仪器对整个太阳上层大气区域在大空间和宽波段尺度范围内的光谱进行诊断的能力，严重制约了人们对太阳爆发活动中的能量及物质输运过程的理解。为了利用单个仪器实现对日冕、过渡区和色球的高分辨率同时诊断观测，本文提出并设计了一款同时工作在17∼21 nm、70∼80 nm和95∼105 nm三个波段的太阳极紫外成像光谱仪，该仪器基于非罗兰圆结构下的椭球面变线距（EVLS）光栅像差校正理论，采用狭缝扫描式成像光谱结构，实现了具有大离轴狭缝视场的高空间、高光谱分辨的消像散光谱成像。基于蒙特卡罗统计模拟方法对太阳极紫外三波段成像光谱仪的最优模型开展光线追迹仿真实验，仿真结果表明，所设计的成像光谱仪取得了良好的光栅像差校正效果，系统空间分辨率优于0.6″，光谱分辨率在17∼21 nm波段优于0.006 nm，在70∼80 nm和95∼105 nm波段优于0.008 nm。本文研究对我国未来的太阳极紫外光谱成像仪器的发展和研制具有重要的理论意义，对我国未来的太阳空间探测任务的型号遴选具有重要的参考价值。

提出了一款工作在Ne VII 46.52 nm谱线的新型三级次无狭缝成像光谱仪，该仪器采用两个超环面等线距光栅作为衍射元件，其中单个光栅仅工作于一个级次，这解决了现有三级次仪器使用单个光栅同时工作于三个级次的弊端，显著提升了系统校正离轴光栅像差的能力，结合光谱数据反演算法可以实现24′×24′视场下的高空间（1.547″）和高光谱分辨率（0.0078 nm）观测。

对太阳进行光谱成像观测是太阳物理和空间天气研究的重要数据来源。在极紫外波段对动态的太阳大气进行光谱成像观测面临着严峻挑战。传统的狭缝式成像光谱仪受瞬时视场的限制,必须通过耗时的推扫才能获取二维日面图像,系统不具有高时间分辨率,无法捕获太阳过渡区域和日冕的快速演化过程。尽管极紫外成像仪能够实现大二维视场和高时间分辨率的观测,但却无法获取光谱分辨率信息。本文基于像差校正的椭球面变线距光栅,提出了一款新型无狭缝成像光谱仪,该系统同时工作在三个光栅衍射级次(m=-1,0,1)上,这样的新颖设计不需要任何元件的机械运动,单次快照便可同时获得三幅视场为20 arcmin×20 arcmin的极紫外窄波段(29.4~31.4 nm)太阳日面图像,该仪器的时间分辨率高且视场大。不发生色散的0级次系统相当于一台极紫外成像仪,可以直接获得高分辨率空间信息(0.6 arcsec);发生色散的±1级次图像携带有空间和光谱的混叠信息,类似于计算层析成像原理。通过数据反演算法,可以从三个级次的图像中提取高分辨率的光谱信息(0.0035 nm)。

基于传统罗兰圆结构的凹面光栅成像光谱仪,尽管具有很好的轴上点成像特性,但是存在较大的光栅离轴像差,离轴性能显著降低,不适用于大离轴视场、宽波段的空间和光谱成像。因此,基于超环面变线距光栅工作在非罗兰圆结构下的像差校正理论,设计了一款兼具大离轴视场和宽波段的太阳极紫外正入射成像光谱仪,使用三个平场探测器,可实现在极紫外波段对包括日冕和过渡区域在内的太阳上层大气的高空间和高光谱分辨观测。该仪器仅有两次反射表面,同时使用周期性的SiC/Al多层镀膜最大化地减小了极紫外波段的光子通量损失,提高了仪器的传输效率。该成像光谱仪的工作波段为40~47 nm、53~60 nm和66~73 nm,口径为100 mm,沿狭缝方向的离轴视场为18',系统的空间分辨率优于0.55″,光谱分辨率优于30×10 -4 nm。

CCD的读出噪声等性能影响卫星X射线探测载荷的数据质量。空间应用的X射线CCD结构不同于普通CCD,其结构影响它的性能。 以国外卫星广泛应用的E2V航天级CCD为例,分析了其X射线敏感CCD的内部结构,介绍了使用FPGA和驱动芯片满足时序和电平要求的驱动电路的方法,设计了一种可 实现滤波功能、同时增益连续可调的CCD信号处理电路实现对CCD信号的放大和滤波,给出了利用Fe55放射源配合驱动电路测试X射线CCD增益和读出噪声的方法, 最终测得CCD和配套电路的增益为5.1 e-/DN,读出噪声为37 e-。

极紫外光谱观测和诊断是研究太阳大气基本物理过程的最重要手段之一。 但因为波长短, 很多可见光仪器的设计方案不再适用, 且极紫外观测只能在太空中开展。 国际上现有卫星上的太阳极紫外成像仪和光谱仪都有各自的不足, 比如极紫外成像仪不能获得高光谱分辨率的谱线信息; 狭缝式光谱仪通过扫描可得到活动区域的信息, 但扫描时间过长, 对于研究剧烈变化的太阳活动有很大的局限性。 这些不足制约了对日冕物质抛射（CME）和耀斑等太阳活动的高精度观测及对其机理的研究: 无法看到CME在内日冕的加速过程, 而且无法将可见光看到的CME现象同极紫外看到的日面源区直接联系; 缺少观测目标的视向速度信息, 难以识别CME的触发过程。 采用多级衍射成像方式的一种新型太阳极紫外成像仪, 除实现传统极紫外成像仪功能外, 还可以在太阳活动变化过程中同步获得全日面各区域的光谱信息。 新型成像仪可以得到高光谱分辨率数据, 用于反演低日冕的等离子体视向速度, 获得全日面的速度分布, 与同时得到的高空间分辨率图像相结合, 可以识别太阳活动现象对应的物质运动, 为空间科学研究提供数据; 因为没有狭缝和运动部件, 可以实现对大视场的太阳活动区域的高时间分辨率成像, 有利于捕捉日面活动的快速变化。 新型成像仪采用无狭缝光谱分光成像的设计理念, 即同一时间把一定光谱带宽的信息记录到一个二维的图像上, 此过程可以看成是从某一个角度将空间和光谱数据立方体投影到一个面上, 然后再利用反演得到空间分辨图像和光谱信息。 多级光谱成像的光学设计与传统光谱仪最大的不同是其不存在逐行扫描的狭缝, 这使得其能够同时获得大视场内太阳的空间信息和光谱信息。 因为极紫外波段的特殊性, 以及本仪器面向卫星遥感应用, 不可能像可见光波段或者医用CT机一样实现很多衍射级的同时成像。 因此, 新型极紫外成像仪光学系统由反射镜、 色散光栅和五个探测器组成, 入射的太阳极紫外辐射经过光栅色散后分别由五个级次的探测器接收, 其中四个探测器分部接收±1和±2衍射级图像, 另外一个接收0级图像。 空间信息可以直接从0级图像得到, 而光谱信息则需要根据五个级次成像的反演结果得出。 介绍了光学系统的设计以及反演算法, 并分析了反演算法的误差。 光路基于变间距光栅设计, 可实现空间分辨率1.8 arcsec·pixel-1, 光谱分辨率7.8×10-3 nm·pixel-1, 同时减小了体积和重量, 适合空间应用。