空间目标由于距地相对较远, 且散射光信号受到大气介质的强散射, 在地基测量中很难获取到目标的准确信息。 近年来光谱观测技术蓬勃发展, 由此为空间目标测量提供了新的方案, 但在采集的目标光谱信息中, 由于目标轨道高度、 材料组成等大多相近, 很难直接从光谱曲线中分辨出目标。 为此基于双向反射分布函数（BRDF）散射理论, 建立了空间目标散射光谱成像模型, 并由1.2 m口径地基观测平台与光谱视频成像系统实验测量了一组高轨道同步卫星（GEO）目标, 光谱范围为400～720 nm, 光谱分辨率为2 nm。 采用径向基神经网络算法对光谱数据中的BRDF进行解混, 实验测量了六种空间目标典型材料的BRDF。 由于目标相对较远, 已经超出探测系统的衍射极限, 因此目标可视为点目标, 但在地基测量中大气层是阻隔在探测系统和目标之间的重要屏障, 目标光信号穿过大气层时会受到大气介质的强烈散射, 这种散射虽然很大程度上削弱了光信号, 但同时光信号也被按原结构放大。 依据光学记忆效应, 目标光信号穿过均匀大气介质后其结构仍保持不变。 基于以上分析, 目标光斑图像应该保留有目标投影结构的信息。 为此采用针对目标光斑图像纹理区域分割反演的方法, 将目标光斑划分为10个纹理区域, 并提取对应光谱数据。 通过探测系统传递函数标定以及减噪处理, 获得了观测时段在轨目标空间几何角度下的光谱曲线。 再利用建立的典型材料光谱数据库进行拟合反演。 结果表明: 在2号、 5号、 10号纹理区域反演出了区别于其他区域不同的材料类型。 同时, 反演的各纹理区的材料面积比也有较大不同。 为进一步评估拟合结果, 采用非奇异矩阵对拟合效果进行评价, 分析了扰动方程, 拟合准确率最高为85.283 3, 最低为76.982 7。 这说明拟合结果是相对真实的, 目标散斑图像中含有可分辨的目标投影结构信息。 此研究为揭开点目标成像探测和散斑图像结构识别提供了新的方向。

基于钠导星星群的多层共轭自适应光学（MCAO）系统是目前大口径地基望远镜获得大视场高分辨成像质量的关键部分。其中，钠导星数量及排布方式是影响MCAO系统性能的关键参数。为了明确钠导星星群分布对MCAO系统大气层析效果的影响，首先，根据层析的基本原理，建立了MCAO系统层析两层大气湍流的模型。随后，基于OOMAO仿真平台，验证了3颗钠导星星群对两层大气湍流层析结果。最后，利用视场内斯特列尔比的平均值（RSˉ）和归一化标准差作为校正效果和均匀性的评价指标，讨论了3~6颗钠导星放置于正多边形顶点或者正多边形顶点结合视场中心的排布方式对湍流层析效果的影响。研究表明，针对丽江高美谷天文台大气条件（550 nm波长大气相干长度为8 cm），10 m口径望远镜视场为1′，大气分为两层的情况，当正多边形的半径大于26″时，钠导星的数量达到4颗就能使系统校正后RSˉ（H波段）达到0.45。特别地，采用5颗钠导星放置在正五边形顶点并在视场中心放置1颗钠导星的星群方式层析湍流最优，MCAO系统校正后RSˉ最高，能达到0.53，且系统均匀性较好。

钠信标已经成为地基大口径望远镜自适应光学系统的必要组成部分。钠信标光斑大小和回光数是影响自适应光学系统性能的关键因素, 从发射角度考虑, 主要由激光到达钠层时功率密度分布和耦合效率共同决定。为了准确估计钠信标光斑大小和回光数, 首先建立了激光在大气中传输的模型, 通过分析激光发射望远镜口径和上行路径大气湍流对激光到达钠层功率密度分布的影响, 得出优化激光发射望远镜口径的普适方法; 然后根据激光通过发射望远镜后到达钠层的功率密度与耦合效率的关系, 计算钠信标光斑大小和回光数; 最后利用探测误差和时域误差作为评价指标, 计算了系统的最优采样频率。研究结果表明, 针对丽江高美古天文台大气条件(大气相干长度(r0@550 nm)中值为7~9 cm), 激光发射望远镜口径最佳值为300 mm, 此时产生的光斑最优; 当r0为9 cm, 激光器采用中国科学院理化技术研究所20 W级百微秒脉冲激光器并利用D2a+D2b双峰泵浦激发钠原子时, 产生的钠信标回光数为1.3×107 photons·s-１·m-2, 光斑大小为0.6 ″, 最优的采样频率为900 Hz。

采用地基光谱探测技术, 观测到了最低亮度为4.2星等的空间碎片其分辨率为0.5 nm的高精度散射光谱。 并对卫星残骸和火箭残骸的光谱数据进行了归一化处理和离散率分析, 得到了不同类别目标的明显区别。 火箭残骸的多帧散射光谱归一化后线型一致, 而对于卫星的多帧散射光谱归一化后线型不一致, 对归一化的空间碎片的每一帧光谱求离散率, 得到的结果为火箭残骸的离散率低, 都在0.978%～3.067%之间, 且波动差值及平均值较小; 而卫星的每帧归一化散射光谱的离散率高, 在3.1184%～19.4727%之间。 且波动差值及平均值较大。 原因是火箭残骸的结构简单, 组成材料较单一, 卫星的结构复杂, 组成材料较多。 因此散射光谱分析可以应用于空间碎片分类的研究。