对星载仪器的回传数据进行分析，发现空间场景不均匀现象会造成光谱响应函数（ISRF）的“漂移”，从而影响探测数据精度。提出通过光学元件平衡了ISRF“漂移”的问题——狭缝匀光器。概述了光线在狭缝匀光器中的传播过程，建立了合理的光学模型，利用近场衍射原理解释其传播过程并分析了狭缝匀光器的光学特性。整个狭缝模型由数学软件和光学软件进行仿真模拟及数理分析，得到狭缝匀光器匀光效果的具象表示。通过光学模型表示了入瞳场景与狭缝匀光器匀光效果之间关联，研究不同入瞳场景中痕量气体排放点位置和覆盖面积的不同对狭缝匀光器提升探测精度的影响，量化了不同入瞳场景下光谱仪系统ISRF的变化，并提出一种提高探测精度的方法。

为了有效校正透射式色散型成像光谱仪系统的谱线弯曲，提出了一种基于狭缝离轴的畸变补偿方法。该方法首先假设中心波长谱线弯曲得到校正，计算出色散元件的入射角随狭缝长度的变化关系；接着对狭缝进行离轴处理，利用准直镜的畸变得到色散元件的目标入射角，从而校正中心波长的Smile畸变（谱线弯曲），剩余波长的Smile畸变和Keystone畸变（色畸变）向外弯曲，整体呈枕形畸变；最后使用会聚镜的畸变校正剩余谱线弯曲。利用该方法设计了一款反射光栅型成像光谱仪，在各项参数满足设计要求的同时，利用准直镜畸变校正了系统的谱线弯曲，基于该设计研制了原理样机，系统Smile畸变最大为12.9 μm，Keystone畸变最大为6.4 μm，测试结果满足系统的设计要求，证明了该方法的可行性。

为了降低光谱仪的偏振敏感度,提出了一种在会聚光路中设计退偏器的方法。该方法首先将系统的望远镜和准直镜视为辅助光路,使得光束的偏振状态可以用Stocks矢量来表示;然后使用Mueller矩阵来表示元件的偏振特性,并推导出了基于Mueller矩阵的系统偏振敏感度模型;最后利用多重多元回归分析来提升Mueller矩阵的计算速度与精度。基于该方法设计了一款放置在会聚光路中的改进型退偏器,系统的偏振敏感度小于1%,像点分裂距离小于8 μm,该结果满足设计要求,验证了该方法在会聚光路中设计退偏器的有效性。

针对棱镜-光栅-棱镜(PGP)型成像光谱仪装调难度大的问题,通过校正PGP成像光谱仪色差的方法保证探测器像面与光轴垂直,并设计了一款宽波段复消色差的PGP系统。从宽波段复消色差理论出发,计算了三种玻璃材料组合理论色差的最小值,为光学设计的复消色差提供了理论支持。利用光学设计软件优化得到的初始结构,结果表明,PGP系统的二级光谱得到了很好的校正,且探测器的CCD无需倾斜,更方便后期装调。覆盖谱宽为400~1000 nm,视场为9.2 mm,空间分辨率优于10 μm,光谱分辨率优于2.8 nm,光学传递函数大于0.7,接近衍射极限,满足成像要求。

像素非均匀性是CCD成像性能评价中的一个重要指标, 反映的是像素结构本身的差异。传统的以灰度值为基础计算DSNU和PRNU的方法未能考虑读出电路引入的时域噪声, 且计算时未剔除不同像素曝光时间不同带来的误差, 计算结果也只适用于某个具体曝光量。在分析CCD信号流的基础上, 厘清灰度值不均匀的影响因素。参考DSNU和PRNU的计算方法, 再结合帧转移型CCD的工作方式, 提出了设置多档曝光时间, 每档曝光时间下采集多帧暗(亮)图像, 再通过拟合求得暗电流(“暗电流+光电流”)后并以之为基础计算暗电流非均匀性DCNU和光电流非均匀性PCNU的方法。同时, 建立CCD像素非均匀性测试系统, 验证其光源的稳定性和均匀性, 以排除采集图像过程中测试系统引入的时域和空间误差。在此测试系统的基础上, 利用新方法测得CCD的DCNU为25.51 e-/pixel·s-1, PCNU为0.98%。相比于传统的DSNU和PRNU值更准确地反映了CCD像素结构的非均匀性, 所得结果更具普遍适用性。

高光谱成像探测仪在轨波长漂移和性能衰变是有效载荷在轨长期工作必须解决的问题。利用太阳辐射光谱和大气后向散射辐射光谱中特有的Fraunhofer吸收线可作为星上波长定标的基准。针对波长定标精度需求, 优选出高精度的太阳参考光谱, 用仪器狭缝函数卷积后初选出87条Fraunhofer吸收线, 并分析了由Fraunhofer吸收线分布非均匀性引起的系统误差, 以及由仪器探测能力不同而产生的随机误差。综合最大偏差和RMS, 确定了在满足定标精度优于0.01 nm的条件下, 可用的76条太阳Fraunhofer线的精确位置。该研究为高光谱成像探测载荷在轨高精度波长定标奠定了基础。

设计了吸收性气溶胶探测仪CCD成像系统，该系统的硬件包括驱动时序电路、预处理和模拟前端电路、电源管理电路、FPGA主控单元，以及Camera Link通信电路等。提出一种带有反向转移的驱动时序来消除帧转移过程的残余电荷，并对该CCD成像系统性能进行测试验证。实验结果表明，该成像系统能稳定输出14 bit图像数据，帧频为1.8 frame/s，最短曝光时间为17.28 ms，非线性度误差为1.68%，当曝光饱和度为80%时,成像信噪比为54.36 dB，CCD可探测信号的动态范围为61.55 dB，可满足探测仪输出稳定、时间分辨率高、线性性能优、信噪比高、信号动态范围大的工作需求。

为了满足大气微量成分高精度测量需求, 需要能准确描述星载高光谱大气微量成份探测仪的仪器狭缝函数。 针对高光谱大气微量成份探测仪视场大、 波段宽、 空间分辨率和光谱分辨率高等特点, 研制了狭缝函数测量仪。 介绍了狭缝函数测量仪的工作原理及基本结构, 并利用狭缝函数测量仪可同时实现高分辨率、 宽谱段测量的特点, 通过搭建定标装置, 对高光谱大气微量成份探测仪进行全视场的狭缝函数测试, 得出了仪器狭缝函数的数学表达式, 给出仪器狭缝函数的特性分布, 并对结果进行分析。 测试结果表明: 高光谱大气微量成份探测仪全视场光谱分辨率在0.423～0.597 nm之间, 其狭缝函数特性曲线近似满足高斯分布规律。 由于星载大视场成像光谱仪存在光谱弯曲现象, 从而导致边缘视场分辨能力略低于中心视场分辨能力。 狭缝函数测量仪是基于中阶梯衍射光栅设计, 可同时输出多条高分辨率谱线, 且分布均匀, 不仅可以测量高光谱成像光谱仪的仪器狭缝函数, 也可对星载高光谱仪器光谱定标, 为后续研究提供了参考依据和方法。Instrument

波长定标是仪器遥感数据定量化的前提和基础。针对星载大气微量成分探测仪视场大、波长宽、空间分辨率和波长分辨率高的特点, 建立了基于中阶梯衍射光栅的波长定标装置。中阶梯光栅因其较少的线密度和较大的闪耀角工作在较高的闪耀级次, 光谱范围宽且具有较高的分辨率, 可在工作波段内一次性输出多条分布较为均匀的谱线, 克服了传统定标方式的缺点, 提高了定标精度。本文首先介绍了波长定标装置的工作原理, 接着利用该装置对高光谱大气微量成份探测仪进行波长定标, 通过寻峰和回归分析给出载荷的波长定标方程, 并利用标准汞灯谱线对定标结果进行检验。结果表明: 高光谱大气微量成份探测仪的像元和波长近似满足线性分布规律, 定标不确定度为0.025 8 nm, 汞灯特征谱线的定标值和标准值偏差最大不超过0.043 5 nm, 证明了定标结果的准确性。