拉曼光谱是一种新型且强大的月球与深空探测工具。介绍了深空拉曼光谱技术的原理及技术特点，梳理了国际上深空拉曼光谱技术的发展现状，介绍了目前国际上在研/在轨的5台拉曼光谱载荷的设计情况。在此基础上，对深空探测拉曼光谱技术的关键问题进行了分析总结，对该技术的下一步发展进行了展望。

基于离轴三反光学系统和多列线阵探测器,设计了一种具有宽波段高光谱分辨率的中阶梯光栅光谱仪。首先,以仪器性能指标为约束优化中阶梯光栅的结构参数,使光栅在保证高色散的同时将宽工作波段折叠重合在较小的光谱级次内,并采用多列线阵探测器采集信号。然后,以离轴三反光学系统作为会聚镜,以离轴抛物镜作为准直镜,实现了高色散宽自由光谱的像差校正。最终,设计的中阶梯光栅光谱仪工作波段为400~900 nm,F数为4.5,光谱分辨率在402.31,541.82,870.48 nm时分别为0.003,0.004,0.005 nm,系统体积为380 mm×325 mm×230 mm。

高光谱分辨率光栅光谱仪是探测太阳大气活动的重要仪器。由于光栅衍射效率受光栅入射角的影响, 从而直接影响光栅光谱仪的能量利用率, 因此如何准确确定光栅入射角是光栅光谱仪光学设计面临的重要问题之一, 现有方法多依靠工程实践积累的经验。为此, 以多个特征谱线均能获得更高光栅衍射效率为优化指标, 以光栅入射角为研究对象, 提出了一种高光谱分辨率光栅光谱仪的优化设计方法, 并给出了针对云南天文台 1 m 新真空太阳望远镜 (NVST) 的多波段光栅光谱仪设计方案。

为了基于中阶梯光栅光谱仪特殊的二维原始光谱图像实现各波长与其强度信息的一一对应, 进而得到可以直接读取所需波段或波长光信号强度信息的一维光谱曲线。对其原始光谱进行分析研究, 通过获得接收像面上各波长光斑位置与探测器像元的精确对应关系, 实现谱图的还原处理。采用多项式拟合方法分别对中阶梯光栅光谱仪的棱镜色散方向和光栅色散方向上光斑的位置坐标进行拟合, 建立起波长与像面之间的关系式, 为减小光线追迹数量, 同时采用级次间拟合的方式建立谱图还原模型。实验结果表明: 通过该方法, 可实现快速、高精度的谱图还原模型建立, 模型的计算误差最大为0.023 92 mm, 即谱图还原精度优于1个像元。该算法具有较强的灵活性和普适性, 适用于各类中阶梯光栅光谱仪的谱图还原模型计算。

光栅是光栅光谱仪的核心部件, 其分光能力直接决定了仪器的光谱分辨率。基于浸没式光栅的光栅光谱仪使用浸没式光栅作为分光元件。推导了浸没式光栅的光谱分辨率方程, 光谱分辨率要求一定时, 与使用普通反射光栅相比, 使用浸没式光栅能够在实现高光谱分辨率的同时大幅减小仪器的体积和重量。介绍了浸没式光栅的常用材料、浸没式光栅在星载和地基高光谱分辨率光栅光谱仪上的应用以及浸没式光栅的制作方法。设计和研制了70 mm硅浸没式光栅, 实测光栅效率>57%、光栅偏振<3.2%, 各项指标实测结果满足技术要求。

为了将偏振光谱强度调制(Polarization spectral intensity modulation, PSIM)技术应用于室外目标 的偏振遥感测量,在PSIM偏振光谱仪实验室搭台实验基础上,开展了PSIM实验样机一体化集成设计。 首先,将由格兰泰勒棱镜和两块高阶石英晶体延迟器构成的调制器按照原理要求集成安装成一个组件, 再将该组件安装到光栅光谱仪的光学头部,完成PSIM偏振光谱仪系统的硬件一体化设计。利用交互式数据 语言(Interactive data language, IDL)程序设计语言编写程序,将文件读写、数据处理及结果显示等功能 集成在统一的用户界面中,实现了PSIM偏振光谱仪系统数据处理算法软件的一体化设计。最后,通过测量 解析水平和垂直线偏振光的全Stokes矢量元素谱定性验证了实验样机的测量能力；利用偏振定标系统完成 了集成实验样机的偏振定标。实验数据处理结果表明：实验样机能够实现待测光全Stokes矢量元素谱的同步获取; 偏振定标盒输出光的全谱段偏振度值,实验样机的测量结果与理论输出结果间的最大误差约为0.003。实现了集成实验样机的设计目标。

设计了二维多位相光栅分光器的位相结构, 并根据周期性位相结构推导出位相光栅的二维分光公式, 使用模拟退火优化算法对二维8×16四位相光栅分光器的位相结构进行了优化设计, 得到了二维分光效率为70.03%、不均匀度仅为4.6×10-4的位相光栅。将优化计算得到的位相分布结果进行拆分, 制作了光刻版, 利用光刻版套刻制作了四位相光栅分光器样品, 并搭建光路对样品的分光性能进行了测试, 结果表明, 多位相结构能显著提高光栅的分束效率和均匀性。

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。

由上海棱光技术有限公司与中国农业大学联合研发的S450型近红外高密度光栅光谱仪, 使用高速采集技术可得到高密度光谱(波长范围900~2 500 nm, 采集间隔0.1 nm, 光谱包含16 001个数据点), 本文采用该仪器并以小麦、 烟草样品为实验对象, 针对高密度光谱的数据特点, 采用S.G.(savitzky-golay)平滑、 固定窗口组合滑动窗口平滑(FCMWS和一阶导数(FD)等数据处理方法, 并应用偏最小二乘法(PLS)对小麦粗蛋白、 烟草烟碱及总糖含量进行建模和预测, 对仪器整体性能以及数据处理方法的参数优化等, 进行了评价和比较研究。 结果表明: (1)小麦、 烟草样品的原光谱经S.G.平滑结合一阶导数预处理后, 模型性能大幅提高, 通过对参数拟合阶次M和平滑点数N进行优化得出, 当M一定时, N可选取范围较宽, 且当M=2和N处于201～801区间时模型效果理想且稳定; (2)FCMWS方法对小麦、 烟草样品的原光谱进行两层平均平滑, 经调整优化平滑参数K1和K2(K1为第一层平滑的固定窗口大小, K2为第二层滑动窗口大小)得出: 两层平滑参数相乘约为150~310时, 模型性能稳定且较优, 同时FCMWS方法极大地提高了建模速度; (3)以小麦样品为对象, 同时在两台S450型光谱仪上采集样品光谱, 对比分析了仪器间的性能差异, 结果表明光谱经S.G.平滑或FCMWS方法处理后, 不同仪器模型间相互预测数据的相对偏差小于2.00%, 远低于预测值与参考值间的相对偏差, 说明上述两种方法均可降低仪器的台间差异, 实现台间模型的稳定传递。 研究结果表明, 国产S450型高密度光栅光谱仪结合数据平滑去噪技术, 已满足小麦、 烟草等农产品品质检测和模型传递的性能要求, 且该光栅型仪器成本相对较低, 对农业领域推广近红外快速检测技术的应用具有实际意义。