为了提高CO2探测仪的在轨辐射定标精度, 建立了在轨辐射校正原理, 并对关键环节漫反射板的制备、BRDF定标和应用进行了系统的研究。根据CO2探测仪的工作原理与系统组成, 介绍了星上定标设备和在轨辐射定标策略, 确定了漫反射板的制备方法和优化工艺参数, 制定了以标准灯和标准探测器为传递链路的漫反射板BRDF的精确定标方法。对漫反射板基准BRDF、角度修正因子和半球反射率进行了测试, 对其实验室定标精度进行了分析, 并通过在轨初期的应用结果予以验证。发射前的定标结果表明, 漫反射板在760 nm、1 610 nm和2 060 nm 3个波段的定标精度均优于3%。在轨初期的测试结果表明CO2探测仪1 610 nm波段在轨绝对辐射定标精度优于5%。CO2探测仪漫反射板的定标结果满足仪器辐射定标对漫反射板定标的精度要求。

基于能量集中度的装调方法采用一套由可调谐激光器、积分球、平行光管和数据采集处理软件等组成的精细定焦系统, 以确定CO2探测仪1 610 nm通道光谱仪的最佳焦面位置并完成探测器的精确安装, 以像元光谱响应曲线(ILS)的全高半宽度(FWHM)作为聚焦评价函数, 通过调整探测器方位遍历搜寻该函数最小值并作为正焦的最终评价依据, 进而完成光谱仪的精细定焦任务。定焦结果显示：探测器获得的光谱响应曲线平均半宽度为0128 1 nm, 与理论值吻合良好。该系统不仅操作简单、结构紧凑且具有较高的定焦精度, 也为光谱仪定标等后续工作提供了实验保障。

为了研制CO2探测仪定标漫反射板, 采用物理研磨和化学腐蚀相结合的工艺方法制作了铝漫反射板试验样块, 搭建了相对双向反射分布函数和半球反射率的测试装置。在0°和45°入射光的情况下, 对可见近红外波段的测试结果表明: 表面粗糙度影响铝漫反射板的朗伯特性, 240#研磨砂制作的漫射板的朗伯特性最佳; 化学腐蚀不仅能提高铝漫反射板的朗伯特性, 也能提高铝漫反射板的半球反射率。当选取碱蚀温度为室温20 ℃、NaOH溶液浓度为526 g/L时, 最佳腐蚀时间约为4 min; 镀膜使铝漫反射板的半球反射率平均提高20%, 但会使其朗伯特性稍变差; 不同波长处铝漫反射板的相对双向反射分布函数略有不同, 但变化趋势相同。实验确定了影响漫反射板漫反射特性的关键参数, 并定量优化了这些工艺参数, 为进一步研制CO2探测仪星上定标漫反射板提供了依据。

设计并架构了CO2探测仪的光学系统。通过对比国外典型大气温室气体探测仪采用的光学系统, 总结了光栅与傅里叶变换两种分光方法的优缺点, 确定设计的CO2探测仪采用大面积光栅色散光谱仪系统, 该光学系统包括前置光学系统和三通道光栅光谱仪系统两部分。前置光学系统由无焦双离轴抛物面系统、2个分束器和3个聚焦透镜组组成, 采用了多种消杂光措施, 有效抑制了杂散光。光栅光谱仪的3个通道采用相同的结构, 工作在相同的偏离角下; 根据光栅方程推导了固定偏离角下光栅参数的计算方程, 确定了3个通道的光栅参数; 透镜采用低膨胀熔石英材料; 大面积光栅工作在大入射角、大衍射角状态, 工作波段内的光栅衍射效率可达90%以上。对光学系统的分析测试显示：通过在光谱仪系统放置0级光陷阱等消杂光措施, 可将杂散光控制在10-5以下, 空间方向的MTF大于0.9, 光谱分辨率达到0.035 nm(@760 nm), 实现了20点同步观测。由于相对孔径较大(F1.8), 提高了集光能力。结果表明, 设计的光学系统满足温室气体探测的技术指标要求。