为满足气候监测、微光辐射计量、单光子计量等定量应用需求，设计了基于相关光子自校准的紧凑型三通道微光辐亮度计，其光谱范围为460~1 550 nm，辐亮度测量范围为1×10^-9~1×10^-6 W/（cm²·sr·nm）。设计时考虑整机的集成化、小型化和模块化，将8个光谱波段集成为三通道结构。其中可见光近红外波段采用自由空间耦合，短波红外波段采用多模光纤耦合方式。通过设计优化分析，微光辐亮度计的第一、二通道的聚焦光斑满足Si单光子探测器光敏面300 μm像元要求，第三通道的聚焦光斑满足多模光纤62.5 μm芯径和0.22数值孔径要求，三个通道的聚焦光斑均可被单光子探测器光敏面接收，满足设计目标，可为后续的工程化应用提供参考。

针对特殊准直光源的稳定性控制需求，提出一种基于振镜的激光功率稳定控制方法。将石英片与振镜连接固定，采用入射光角度与透过率的关系作为信号调节原理，当振镜带动石英片旋转时，对石英片透射的光信号大小进行调节。基于菲涅尔定律，开展平板玻璃旋转角度与透过率参数分析，论证旋转角度范围等参数，为实现光源的功率稳定提供输出参数支持。利用监视反馈探测器进行实时数据监测和反馈。通过PID算法，对监视探测器信号与参考调节功率对应电压的误差进行调制，实现对振镜输出角度的准确调节。采用该功率稳定器对He-Ne 632.8 nm激光器进行了稳功率实验，并采用Trap探测器进行功率输出的实验验证。试验结果表明：经过功率稳定控制后的激光器稳定性：其标准离差率C_V为0.016%（1 800 s），其峰峰起伏S_V为±0.042%（1 800 s）。峰峰起伏S_V降至激光器自由运行时约为1/8.79，标准离差率C_V改善1/13.76，稳定性得到了较好的改进。

为了设计和制造高角度均匀性的积分球辐射源，需要提供优化的设计参数。基于空腔的辐射传输理论，建立了基于级联积分球结构的发光单元光出射度分布的仿真模型，并获得了朗伯型发光单元安装位置和级联积分球辐射源角度均匀性之间的关系。仿真结果表明：理想情况下，采用2个朗伯型级联子球作为发光单元，对称安装在与级联积分球辐射源出光口法线方向成10°夹角位置时，通过球心与出光口法线方向成±20°夹角观测区域内的角度均匀性可以达到0.03%的水平。最后，通过实验测量级联子球在30°夹角位置时级联积分球辐射源的角度均匀性，发现实验结果与仿真结果接近一致。因此，通过优化发光单元的类型和安装位置，可以有效提升积分球辐射源的角度均匀性。

偏振遥感器的相对光谱响应度和带内光谱响应非一致性是遥感器实验室定标的基本参数。文中利用新型的超连续谱激光作为单色仪的前置照明光源，搭建了一套基于超连续谱激光-单色仪的细分光谱扫描定标装置，可用于偏振遥感器的相对光谱响应度定标。实验中以490 、670、910 nm三个偏振通道作为例，分别在单色仪直接输出光和单色光导入积分球两种状态下，得到通道式偏振遥感器的相对光谱响应度结果，并对两种状态下定标光源的偏振特性进行了测量。实验结果表明，单色仪直接输出光模式下，光源存在明显的偏振度和偏振方位角变化，三个偏振通道的带内光谱响应非一致性分别为0.91%、4.25%和1.06%；而在单色光导入积分球后，光源的偏振度明显降低，此时带内光谱响应非一致性结果分别为0.15%、0.47%和0.57%，说明消偏后的光源能有效适用偏振遥感器的光谱响应度定标，基于超连续谱激光-单色仪的系统级定标装置在偏振遥感器的定标中具有广泛应用前景。

研究了BBO非线性晶体温度变化对自发参量下转换相关光子输出角度和转换效率的影响，以此获取BBO非线性晶体适宜的工作温度，从而降低温度对系统长期稳定性的影响.根据实验需求设计晶体夹持和温控系统，通过ANSYS热分析保证系统的可行性和可靠性.之后改变晶体加热温度，在温控精度不低于±0.03℃条件下测量相关光子输出角度和不同光束质量下光子数率随温度变化曲线.结果表明随着晶体温度的升高，相关光子输出角度随温度增加呈正比例减小趋势，该结果与理论计算结果相符.同时晶体从25℃升温至55℃可提高较差光束质量光子数率约34%，55℃以后，温度增长在较小比例提高光子数率的同时会极大的提高测量的背景噪声.综合可知，BBO晶体在工作过程中使用温度以55℃为宜.

测量了自发参量下转换的宽光谱分布和时间相关性，搭建了基于自发参量下转换定标的辐射计.在自发参量下转换定标探测效率的基础上推导了光子计数模式的辐亮度测量方程，根据定标原理辐射计可以实时监测和校正仪器的光电衰变.通过插入光学衰减片和更换探测器模拟了辐射计在光路衰变和电路衰变情况下能够修正自身衰变对观测结果的影响，观测辐亮度的一致性优于0.38%.测量结果为自发参量下转换定标技术应用在未来的气候观测星上定标器等空间平台提供实验依据.