在高精度视向速度测量系统中,圆形光纤逐渐被多边形光纤替代,结合多边形光纤、透镜和圆形光纤的扰模方案也被陆续提出。通过光线追迹的方法,对圆形、八边形截面的两种光纤以及基于这两种光纤的双光纤扰模器的扰模性能进行了模拟分析。模拟结果表明:虽然圆形光纤有较好的远、近场角向扰模,但是径向扰模效果不佳;八边形光纤的近场径向和角向扰模性能均较优,但远场扰模与圆形光纤没有明显差异;双光纤扰模器能有效提高光纤扰模性能,而使用了八边形光纤的双光纤扰模器的远、近场扰模性能均较优。

对激光诱导等离子体参数进行诊断有多种方法, 其中采用发射光谱法对其诊断是一种重要的方法。 文中采用Nd∶YAG固态激光器, 输出波长1 064 nm红外激光与铝合金样品相互作用, 深入研究了铝合金等离子体产生早期(<1 μs)谱线轮廓、 谱线强度、 线背比、 谱线半峰宽及位移等随时间演变规律。 研究表明, 激光与物质相互作用早期, 电子数密度非常大, 电子与离子及原子之间的相互作用非常强烈, 谱线的Stark展宽效应非常明显, 导致多重谱线重叠在一起, 随时间演变, 电子数密度及电子温度的降低, 多重谱线的半峰宽越来越窄且谱线轮廓对称性越来越好。 MgⅠ285212 6 nm谱线强度早期逐渐增强, 大约100 ns左右谱线强度达到最大值, 然后谱线强度呈逐渐减小的趋势, 这是由于等离子体产生早期, 电子及离子占主导地位, 故早期原子谱线强度较弱, 随时间演变, 电子与离子之间的复合, 原子数密度逐渐增加, 故原子谱线逐渐增强, 达到最大值之后, 由于等离子体激发温度的降低, 故谱线强度逐渐减弱。 以NIST波长位置为参考, 等离子体产生的早期谱线发生了红移, 连续背景强度随时间演变呈幂函数形式急剧递减, 与之相反, 谱线的连续背景强度与谱线强度相比, 连续背景衰减的速度更为迅速, 故导致谱线信背比随时间演变呈增大趋势, 本研究对等离子体早期这些现象从理论角度进行了深入探讨。

天文探测中类地行星的探测需要进一步提高视向速度的测量精度。但圆形光纤扰模效果不佳所引起的入射信息变化时的谱线漂移，成为限制测量精度提高的一个主要因素。采用多边形光纤改善光纤传输系统的扰模特性。利用搭建的测试光纤远场和近场光斑质量的光学系统，通过对光纤出射场光斑质量进行评价，研究了圆形、长方形、正方形和八边形光纤在不同入射条件下的远场和近场分布及远场光斑的光强变化和近场光斑的质心偏移，得出了不同光纤的扰模增益系数。实验表明，在相同入射条件下，多边形光纤具有较好的扰模特性，其中八边形光纤的远场光强变化最小，近场光斑质心偏移最少，扰模特性最好。以八边形光纤代替圆形光纤，可有效减小入射偏差引起的谱线漂移，提高视向速度的测量精度。

为了研究温度对机载成像光谱仪光学性能的影响，分析了机载环境下仪器温度载荷的特点，阐述了温度载荷的作用机理和表现形式，研究了光谱仪的热光学性能。首先，分析了机载环境下温度载荷特点；其次，以最小二乘法和坐标转换法为理论依据，编制了面形误差及刚体位移求解程序，并结合有限元法计算了光机系统在温度载荷作用下各镜面的变形值和刚体位移大小；最后，对变形后的光学系统进行了光线追迹，求解了镜面刚体位移导致的谱线位置变化，研究其谱线漂移特性，并计算了刚体位移对传递函数(MTF)的影响。计算结果表明，±10 ℃温度变化范围内，谱线漂移量小于光谱定标精度要求的1/3，不需要再进行光谱定标和光谱修正；系统传递函数也能够满足成像质量要求。这些结论会对仪器研制有很大的工程实用价值。

为了研究温度对机载成像光谱仪谱线漂移的影响，分析了机载环境下仪器温度载荷的特点、作用机理和表现形式，研究了光谱仪的谱线漂移特性。根据机载环境下温度载荷特点，利用有限元法，结合最小二乘法和坐标转换法，计算了光学系统各镜面在温度载荷作用下面形变化和刚体位移。对变形后的光学系统进行了光线追迹，研究了其谱线漂移特性。通过热光学实验和飞行成像期间光谱定标实验验证了理论分析。热光学实验表明，在±10 ℃温度变化范围内，谱线在光谱方向仅发生整体平移，没有拉伸或压缩效应。在飞行期间的定标实验中，其平均谱线偏移量为0.248 nm，满足定标精度的1/3（定标精度为1 nm）要求。后续成像不需要再进行光谱定标或光谱修正。

为研究温度对星载空间外差干涉型光谱仪性能的影响, 分析了温度变化对光谱仪中准直镜头、 成像镜头以及干涉仪组件各光学系统组成部分性能参数的变化关系, 建立了温度对光谱仪谱线漂移影响的模型, 通过软件仿真和热光学实验对理论模型进行了验证。 结果表明, 良好的镜头光学设计方案可有效避免星载环境下温度对镜头组件光学性能的影响, 干涉仪组件温度变化会使系统基频变化直接导致光谱谱线的漂移, 同时温差过大会对光谱仪光谱分辨率产生影响, 使光谱谱线发生变形。 针对星载空间外差干涉型光谱仪中干涉仪组件的温控条件, 应依据基频、 结合光谱分辨率和带宽等性能指标提出严格的温控范围。

分析了谱线漂移在地面辐射定标、星上辐射定标和在轨对地观测等环节对成像光谱仪辐射测量的影响，建立了从实验室辐射定标到星上辐射定标再到在轨对地观测全过程的辐射传递模型，并通过仿真分析求解了成像光谱仪入瞳处辐射测量不确定与谱线漂移之间的关系。结果表明，谱线漂移导致的辐射测量误差与谱线漂移量和入瞳辐亮度的分布梯度成正比；光谱带宽偏差对测量精度的影响程度较中心波长误差高一个数量级。对于可见近红外(VNIR)波段平均光谱带宽10 nm、短波红外(SWIR)波段平均光谱带宽20 nm的典型成像光谱仪，要保证谱线漂移引起的辐射测量不确定度小于6%，实现成像光谱仪在轨观测时入瞳处的辐射测量绝对精度优于10%，可见近红外波段中心波长偏差应不大于2 nm，光谱带宽偏差应不大于0.1 nm，短波红外波段中心波长偏差应不大于3 nm，光谱带宽偏差应不大于0.1 nm。

为了研究温度对成像光谱仪谱线漂移的影响，分析了谱线漂移与光谱成像系统各镜面刚体位移之间的关系，建立了温度对成像光谱仪谱线漂移影响的理论模型，通过软件仿真和热光学试验对理论模型进行了验证和修正。基于线性光学理论建立了镜面刚体位移对谱线漂移影响的数学模型，使用蒙特卡罗法对理论模型进行了数值仿真验证；采用有限元法求解了温度载荷下各镜面的刚体位移，在Matlab软件环境下利用Code V的API函数对变形后的光学系统进行了光线追迹，求解了镜面刚体位移导致的谱线位置变化，研究了成像光谱仪的谱线漂移特性，得到了温度载荷作用下的谱线漂移模型；通过热光学试验对理论模型进行了验证和修正。结果表明，在8 ℃～28 ℃范围内，谱线在光谱方向仅发生整体平移，没拉伸或压缩效应；基于线弹性理论和线性光学模型建立的理论模型与试验结果吻合较好，最大偏差不超过12%，修正后的谱线漂移模型相对误差小于5%，绝对精度优于0.2 pixel。

为了研究棱镜色散成像光谱仪的谱线漂移特性， 介绍了成像光谱仪谱线漂移的影响因素及机理， 基于线性光学模型建立了描述谱线漂移特性的数学模型。 在Matlab环境下利用Code V的API函数对系统进行了光线追迹， 验证了数学模型的正确性， 分析了谱线漂移的灵敏度系数。 结果表明: 工作环境变化引起的镜面刚体位移是导致成像光谱仪谱线漂移的主要原因; 在偏心不大于0.2 mm、 倾斜不大于0.02°的小量级干扰下， 不同波长、 不同视场位置的谱线漂移量相等， 误差小于0.1个像元; 镜面刚体位移对谱线的影响是线性的、 相互独立的， 谱线漂移量是各刚体位移引起谱线漂移量的代数和。 基于线性光学模型建立的谱线漂移模型可用于描述成像光谱仪的谱线漂移特性， 对光谱定标、 复杂工况下的光谱特性分析和预测具有指导意义。