针对大气环境监测和预报的需求,设计了一种满足光学系统要求的近紫外天底成像光谱仪。首先根据给定的光学系统,设计了设备的总体构形,对主镜和次镜进行了变密度拓扑优化,并对各模块进行布局功能设计;然后对方案进行了有限元仿真分析,同时对设备系统进行了光机热集成分析;最后进行了实验验证。实验结果表明:设备一阶频率大于100 Hz;正弦振动实验最大放大倍数为1.04;随机振动实验结果最大误差为4.72%;力学实验前后设备光谱特性一致。实验结果证明了所提结构设计满足各项技术要求,为今后近紫外天底成像光谱仪结构设计提供了一种新的参考。

针对环境适应性和探测精度的要求，设计了双视场、多通道成像仪的光机结构，以获取高空间、时间覆盖和高垂直分辨率的大气图像和数据信息。根据光学探测和光学定位精度的要求，设计的光学系统结构以及对应的机械结构采用了天底和临边多方位观测模式。该结构通过柔性系统保证了成像仪在45°C的温差范围内能够正常工作。由于温差较大，系统中构建了CCD探测器裸片的精密定位与散热系统。为验证光机结构设计的正确性，对集成后的成像仪进行了光学系统性能检测。检测实验显示，边界温度状况下3个光学通道的分辨率均优于4 km，达到对地球临边和天底大气进行探测的需求。成像仪的质量为8.3 kg，其一阶基频大于100 Hz，最大应力为52.5 MPa。该光机结构设计合理、紧凑，满足刚度、强度以及目标探测要求，适合空间遥感的应用。

研究的星载被动大气探测仪搭载于太阳同步轨道卫星，具有扫描型多模式探测功能，主要探测目的是对同一大气目标交替进行天底探测和临边探测。为实现天底/临边交替探测，研究了临边探测与天底观测模式的匹配方法及时间间隔ΔT 。根据载荷运控模式、卫星运行轨道和地球自转等，建立交替探测数学模型，研究天底/临边交替探测方法，采用Matlab 计算和卫星工具包(STK)仿真场景验证分析得出时间间隔分别为429 s和430 s。根据地球扁率和轨道衰减等误差分析，结合两种探测扫描设定，统一天底探测与临边探测目标区域，最终设定天底/临边交替探测匹配间隔为430 s。

星载紫外全景探测仪已成为空间大气遥感领域的迫切需求, 根据天底和临边同时探测的研究目标, 提出了一种天底视场和临边视场共像面的全新紫外全景探测仪光学系统结构, 设计了一个中心波长360nm、带宽20nm、中心视场10°、环形视场360°×(70.31°～72.71°)、焦距5mm、相对孔径1/3.3的全景探测仪光学系统.利用光学系统的畸变增加边缘视场的能量, 同时利用光阑像差产生的有效像差渐晕来提高边缘视场的像面照度, 边缘视场的相对照度达到98%以上.将天底视场光路和临边视场光路建立多重结构, 利用ZEMXA-EE软件的多重结构优化功能同时优化设计天底视场光路和临边视场光路, 设计结果表明, 天底和临边视场的光学传递函数均大于0.6@38.5lp/mm, 满足设计指标要求, 且体积和质量小, 适合空间应用.