为了提高多通道光栅扫描光谱仪的波长定标精度,在介绍传统单通道光栅光谱仪线性波长扫描原理的基础上,分析并推导了多通道光谱仪中,共用光栅轴装调误差导致的光谱仪输出波长与丝杠移动距离的理论非线性公式。利用该非线性公式作为波长定标公式对风云三号太阳辐照度光谱仪原理样机进行波长定标,结果表明:传统线性公式的定标精度为0.08 nm,利用波长非线性公式可将波长定标精度提高到0.03 nm,满足仪器的波长定标精度,验证了多通道光栅扫描光谱仪波长非线性关系的准确性。

为了满足太阳光谱在170~380 nm波段的精确观测需求, 设计了波长重复性精度优于±002 nm的紫外双光栅光谱仪。波长扫描机构是双光栅光谱仪的关键组件, 根据凹面光栅色散原理, 将光学设计指标转换为波长扫描机构设计的输入参数, 分析了影响光谱仪波长重复性精度的误差源。根据分析结果得知, 丝杠的重复定位误差是影响波长重复性的主要误差源。选用重复定位精度为±2 μm的丝杠设计了波长扫描机构, 并对光谱仪整机进行了设计。以汞灯光源对光谱仪的波长重复性指标进行了验证实验。实验结果表明, 设计的光谱仪波长重复性介于-0005~+0007 nm之间, 满足波长重复性优于±002 nm的指标要求。

针对星载漫射板远紫外波段（140~240 nm）的双向反射分布函数测量过程中，探测器响应线性问题和紫外光源稳定性差的问题，提出一种采用光源监测比例补偿的相对测量方法.根据测量方法设计了一种基于六自由度转台结构形式的测量系统，该系统采用漫射板两维平移+两维转动、探测器两维转动的组合运动形式，可实现漫射板半球空间内任意点、任意方位的双向反射分布函数测量.用所提方法进行测量实验，并对影响系统测量结果的主要因素进了不确定度分析，结果表明总测量不确定度约为5.5%.

针对海洋环境、海洋水色等领域的发展需要, 设计了一种适于机载的宽视场、大相对孔径的改进型Dyson光谱成像系统。根据海洋环境污染的光学特性, 利用不同目标反照率值估算目标信号的信噪比, 将高光谱成像仪的工作波段扩宽至紫外波段; 使用大像元尺寸的探测器、大相对孔径的成像系统来满足对海洋目标弱信号的识别, 同时通过降低积分时间来避免近海岸沙滩信号过强引起的探测器饱和。该光谱仪的工作波段为0.32~1.05 μm、相对孔径为f/1.8、像元尺寸为24 μm×24 μm, 通过加入弯月形的矫正镜避免了狭缝、探测器、滤光片和单透镜相互之间产生干涉。设计结果表明, 整个光学系统各波长的传递函数均大于0.83, 谱线弯曲和谱带弯曲均小于像元尺寸的4%。所设计成像光谱仪系统适用于海洋环境污染,尤其是海洋溢油污染的监测。

双光栅光谱仪光栅转轴是用于固定和驱动两块共轴凹面光栅的重要零件, 其工作过程中出现的变形与振动现象均可能对双光栅光谱仪最终的波长测量结果带来影响。依据双光栅光谱仪的工作原理和实际工况, 确定其光栅转轴结构优化的主要目标为质心调整, 轻量化, 避免共振和减小凹面光栅的随机响应变形。为实现光栅转轴的多目标优化, 首先在UG中建立凹面光栅、光栅转轴及其固定结构的三维模型, 然后导入ANSYS Workbench进行模态分析与随机响应分析, 并针对其计算结果展开多目标优化。优化后, 光栅转轴回转部分的质心调整到回转轴上, 总质量由0.606 30 kg减轻到0.539 43 kg, 二阶固有频率从184.83 Hz增大到187.77 Hz, 凹面光栅Z轴方向最大随机响应变形从33.394 μm减小到27.147 μm。目前市面上常见的有限元分析软件均无法直接实现结构的质心调整, 作者将该目标的实现提前到三维建模过程当中, 并保证在后续优化过程中, 回转部分的质心只在其回转轴上移动, 从而使质心调整和轻量化等其他优化目标同时实现, 该处理方法具有广泛的借鉴意义。

为满足红外双光栅光谱仪波长重复性±0.05 nm的指标要求，设计了光谱仪的波长扫描机构，分析了影响波长重复性的误差源。根据光谱仪结构特点和指标要求，设计了基于丝杠和摆杆的正弦机构作为波长扫描机构，依据凹面光栅扫描原理，推导了光机参数转换公式，分析了各误差源对波长扫描机构的影响。分析结果表明，在丝杠重复定位精度为±1.2 μm时，光谱仪在760~2200 nm波段范围内的重复性应优于±0.05 nm。设计了红外双光栅光谱仪原理样机，并进行了实验验证。以汞灯为光源对其多个特征波长进行7次扫描，计算波长扫描机构在特征波长处的波长重复性。实验结果表明，光谱仪的波长重复性为-0.038~0.041 nm，波长扫描机构满足使用要求。

光栅光谱仪作为研究太阳辐射的重要设备之一, 其波长扫描机构的精度很大程度上决定了最终测量结果的准确性。从光机系统的光栅参量误差和机械结构误差两方面入手, 对丝杠摆杆波长扫描机构展开综合精度分析, 依据凹面光栅色散原理, 推导出波长λ与摆杆末端沿丝杠方向位移x, 摆杆长度l, 光栅常数g和入射光线与出射光线夹角半值δ之间的关系。再对等式求导, 依据误差叠加原理, 计算出在红外工作波段650 nm~2 400 nm范围内, 其波长定标误差应不超过±1.227 nm。在实验样机上进行验证, 以汞灯为光源拟合出误差与波长的关系曲线, 并以氦氖激光器为光源加以验证。实验结果证明了理论计算的正确性, 该分析方法为双光栅光谱仪零部件精度指标的确定提供了依据。

根据算法的准确性、稳定性和快速性原则，讨论了Mie散射和Rayleigh散射的数值算法。将Mie散射理论及Rayleigh散射理论的Matlab数值结果与Wiscombe结果对比分析，证明了此Matlab程序的正确性。在此基础上，确定了当颗粒粒径参量x＜0.3时采用Rayleigh散射理论来确定前向某一角度范围内散射光能分布，从中求得颗粒的粒径大小和分布，具有比Mie散射理论算法快速性的特点。该方法为某些测试对象(颗粒与分散介质相对折射率、颗粒种类等)确定、微小颗粒的在线测量提供了理论支持。

针对大口径宽波段高能激光发射系统使用环境复杂、激光发射间歇时间长,晶体窗口无法满足使用要求等情况,为发射系统设计了一套快门式机械窗口。该机械窗口采用聚氯乙烯(PVC)薄板作为防尘罩,利用弹簧和密封环组成半固定式滑槽,采用步进电机驱动。利用圆形薄板的大挠度变形原理,建立了防尘罩挠曲变形量与正压风载间的非线性微分方程;以中心挠度为摄动参数用摄动法求解微分方程,获得防尘罩挠曲变形量与风压载荷间的关系,并进一步求出电机的负载扭矩。由于电机的输出扭矩是一定的,为了使防尘罩抗风载能力达到最大,利用电机负载与防尘罩挠曲变形量间的解析关系式进一步优化了防尘罩的弯曲刚度。实际测试结果显示,防尘罩挠曲变形量的求解误差不超过15%;当防尘罩弯曲厚度为0.8 mm时,防尘罩可以抵御12 m/s风载作用,电机负载扭矩为0.34 Nm;开启与关闭的最短时间小于3 s,窗口运行可靠,符合设备使用要求。

透镜面形精度是影响透射式光学系统性能的主要因素之一, 支撑结构、自重和热载荷是引起透镜面形发生变化的三个主要原因。为了实现大口径透镜 (Φ>200 mm)的高面形精度, 本文设计了一种新的基于多点柔性支撑的透镜支撑结构, 通过有限元分析, 给出该柔性支撑结构下自重和热载荷对透镜面形的影响。分析结果表明: 重力作用下透镜上、下表面面形 RMS值分别为 6.78 nm和 3.46 nm; 热载荷作用下透镜上、下表面面形 RMS值分别为 8.30 nm和 5.57 nm。由此得出, 本文设计的多点柔性支撑结构可以有效减少自重和热载荷对大口径镜面面形的影响, 满足透射式光学系统对透镜面形的精度要求 (RMS<λ/50, λ=632.8 nm)。