基于分区线性法对圆形渐变滤光片型光谱辐射计开展辐射定标研究，以解决温度范围大、工作波段宽的测量目标对该类型光谱辐射计造成的非线性问题。所提光谱辐射计的主要技术原理是将待测目标的温度区间分为多个子区间，采集目标温度区间内多个不同温度黑体对应的测量光谱，并计算各个温度下的响应度函数。在进行红外光谱测量时，将目标光谱与区间内记录的不同温度点光谱进行比对，从而确定待测目标所属温度子区间的上下限。根据子区间计算的响应度函数，通过线性插值求得待测目标的响应度函数并进行辐射定标。基于该方法的实验结果表明，待测目标理论辐亮度与使用分区线性法进行辐射定标得到的辐亮度在波长范围内的平均偏差小于1%。通过定标结果反演测量黑体的等效温度，等效温度误差小于2%。

以干涉高光谱成像模型为基础，提出一种结合先验约束的空谱信息同步复原模型，通过非负低秩特性和全变分（TV）正则项分别约束复原高光谱图像的谱间强相关性和空间分段平滑特性，并采用L₁范数和Frobenius范数分别对干涉数据中的稀疏性噪声和高斯噪声进行建模。模拟和真实干涉数据的对比实验验证了所提方法的有效性。相比于传统的干涉数据复原方法，所提方法在准确复原目标光谱信息的同时，能够有效地消除干涉图混合噪声的退化影响，从而提高复原高光谱图像的数据质量。

提出一种基于低秩约束惩罚最小二乘（LRPLS）的基线校正方法。利用惩罚最小二乘模型综合考虑拟合基线对干涉图的保真度和平滑度的影响，同时引入有效干涉图和噪声的低秩-稀疏先验约束条件，从而构建联合低秩矩阵恢复和惩罚最小二乘的正则化框架，并采用基于增广拉格朗日乘子的迭代优化算法进行求解。在“嫦娥一号”卫星干涉成像光谱仪（IIM）数据上的实验表明，所提方法在去除基线的同时，能够保留干涉图的有效信息。相比于现有的基线校正方法，所提方法具有更好的稳定性和抗噪能力；校正后复原高光谱影像得到显著提升，对于改善干涉成像光谱仪数据质量具有较高的实际应用价值。

时空联合调制型空间外差干涉成像光谱仪(TS-SHIS)在对目标推扫成像过程中,指向镜推扫误差、指向镜定位误差或卫星运动平台振动等会引起目标对应像点(x',y')偏离理想位置(x,y),导致其与相邻的若干空间分辨单元之间存在光谱掺杂现象,进而影响干涉数据重构及复原光谱精度。基于TS-SHIS机理,针对运动误差引起的目标光谱线性混叠、不同程度的地表反射率差异对复原光谱精度的影响等问题进行了分析;建立了以相邻目标掺杂比、地表反射率差异为变量的混合目标干涉函数关系。依据MODIS卫星载荷观测数据,对中国地区不同空间分辨率地表反射率差异进行了分析;以相对光谱二次误差为评价函数,讨论了典型高轨平台姿态参数对不同空间分辨率目标复原光谱精度的影响,该研究为下一代高轨、高时空分辨温室气体探测技术提供技术基础。

时空联合调制型空间外差干涉成像光谱仪(TS-SHIS)推扫图像中有明显的干涉条纹,这会导致传统的图像配准方法对TS-SHIS推扫图像配准计算结果的影响较大。鉴于此,提出一种基于目标干涉数据的自适应条纹模板构建方法,采用该方法消除TS-SHIS推扫图像中的干涉条纹,并利用曲面拟合加梯度法对消条纹后的推扫图像进行图像配准。仿真及实验研究结果表明,所提方法能够有效消除TS-SHIS推扫图像中零光程差处的干涉条纹;干涉条纹对配准计算的影响得到抑制;消条纹处理对图像配准计算结果的影响在0.02 pixel以内。

二氧化碳 (CO2) 是大气中重要的温室气体, 准确掌握大气 CO2 的含量及变化可为气候变化预测及环境决策提供支持。为满足气候研究的需求, 卫星观测大气 CO2 柱平均干空气混合比 (XCO2) 的反演精度需优于 1%。搭载于高分五号卫星上的大气主要温室气体监测仪 GMI (Greenhouse gases monitoring instrument) 采用新型的空间外差光谱技术, 具有超高光谱分辨率。由于超分辨率卫星观测光谱面临着大气、地表和仪器的综合影响, 故根据 GMI 仪器特征设计了针对性的反演方法, 通过光谱信息含量的分析, 构建出用于大气 CO2 反演的信息谱以及用于背景扣除的参考谱, 以此重建观测数据和模拟数据, 并采用最优化估计法反演大气 XCO2。该方法具备缓变背景扣除功能, 可解决空间外差干涉型光谱的大气 CO2 反演问题。利用该反演方法对 2018 年 8 月至 2019 年 3 月的 GMI 观测数据开展反演, 并采用碳总量观测网 12 个站点的地面大气 CO2 测量结果进行验证。验证结果表明该反演方法可稳定实现 GMI 卫星观测数据的反演, 且 GMI 大气 XCO2 反演精度为 0.67%, 优于 1% 的应用需求。

针对已完成光栅胶合的一体化干涉仪组件,提出了一种利用平场校正滤光片形成高频外差干涉调制数据进而进行系统级平场校正的方法。依据空间外差光谱技术干涉调制的原理,给出了平场校正所需的外差干涉频率范围(即平场校正滤光片的光谱范围)的计算方法。通过理论和仿真分析确定了平场校正滤光片的主要技术参数,并进行了实验验证。实验结果表明,该平场校正方法使复原光谱的平均信噪比提升了115.7%,复原光谱的固定频率噪声和高频段光谱失真的抑制效果尤为显著。

针对星载红外傅里叶光谱仪中存在的干涉图条纹计数错误,系统地介绍了其形成原因及对复原光谱的影响,并提出了检测和校正方法。通过对干涉图的偏移相位进行线性拟合,能够精确获得条纹计数误差个数;采用理论仿真验证了所提方法的准确性,误差最低可至1.25%;最后采用实际数据进行验证,验证结果表明所提方法能够达到较好的检测及校正效果。

干涉光谱技术在大气遥感、 天文探测及地物勘察等诸多领域的应用是当前国内外研究热点, 光谱重构作为遥感数据处理的重要环节与探测精度紧密相关。 干涉数据由于有限光程差采样导致复原光谱出现频率泄露, 切趾函数在光谱重构过程中可以起到平滑光谱、 保持复原光谱和其他类型分光技术探测光谱一致性的作用, 但同时会造成重构光谱的分辨率下降。 已有研究表明切趾函数并没有提高反演精度, 同时多个典型大气遥感载荷地面数据处理过程中并未使用切趾函数。 空间外差光谱技术由于其诸多优点在国内外引起广泛关注, 中科院安光所基于该技术成功研究出用于大气CO2探测的原理样机。 信噪比是光谱仪的核心指标之一, 从信噪比、 光谱分辨率和探测精度之间的关系出发研究切趾函数在干涉数据光谱重构中的影响。 针对当前传统切趾函数并没有达到最优旁瓣抑制效果, 以诺顿-比尔切趾函数为基础, 在分辨率降低相同的情况下, 获取最大的旁瓣抑制程度为判据构造了10种不同光谱展宽程度的切趾函数。 利用SCIATRAN辐射传输模型分析了大气CO2遥感探测中不同气体浓度造成的大气层顶的辐亮度差异, 推导了典型条件下不同光谱分辨率满足1%探测精度需求的信噪比要求。 以实验室空间外差光谱仪样机参数为基础, 通过仿真干涉数据和本文构造切趾函数分析了不同切趾程度下光谱分辨率和信噪比的变化关系。 最后利用实验室研制的样机开展了实验验证, 通过观测稳定均匀积分球辐射源获取干涉数据在不切趾的情况下计算信噪比, 以及干涉数据进行不同程度切趾后复原光谱信噪比。 仿真和试验结果表明干涉数据由于切趾对噪声的抑制信噪比逐渐升高, 同时造成光谱分辨率逐渐下降, 而探测精度由于分辨率下降对光谱信噪比的要求也逐渐升高。 探测精度对信噪比的需求提高明显高于切趾作用下光谱信噪比的升高趋势, 仿真数据和实测数据信噪比分别在切趾程度大于1.6倍和1.8倍的情况下低于探测精度对仪器信噪比需求, 即白噪声在噪声中占主导的情况下不切趾更有利于探测精度的保障。 该研究结果可以作为干涉数据光谱重构的参考。

隧道能见度与行车安全有重要关系，对隧道能见度进行实时监测可以为隧道通风换气提供有力依据。基于透射法能见度检测原理，设计并搭建了一套能见度检测系统用于隧道能见度的自动检测。检测系统主要由激光二极管、分束器、硅探测器和信号处理单元等部分构成。采用高响应度硅探测器并设计了跨阻抗放大电路以满足在低能见度下测量需求。两硅探测器分别检测经光学路径衰减前后的光强并输出对应的光电流，信号处理电路对探测器两路输出进行放大滤波和A/D 转换后，反演出消光系数。使用固定透过率滤光片模拟隧道环境，在实验室环境下对该检测系统性能指标进行测试。实验结果表明：消光系数测量范围3.37 km-1～118.82 km-1，最大相对测量误差为8.4%，稳定性优于0.12 km-1。