太阳上层大气，即日冕、过渡区和色球，是由炽热的高度动态的磁化等离子体构成，其中高度电离的离子发射出丰富的极紫外谱线。空间太阳极紫外光谱成像观测对于捕获太阳上层大气中爆发活动的动态物理演化过程，以及实现对大气等离子体特征参数的精确测量具有重要的意义。然而现有的极紫外光谱成像仪器只能针对太阳上层大气的一个或两个目标区域进行成像观测，缺乏采用单一仪器对整个太阳上层大气区域在大空间和宽波段尺度范围内的光谱进行诊断的能力，严重制约了人们对太阳爆发活动中的能量及物质输运过程的理解。为了利用单个仪器实现对日冕、过渡区和色球的高分辨率同时诊断观测，本文提出并设计了一款同时工作在17∼21 nm、70∼80 nm和95∼105 nm三个波段的太阳极紫外成像光谱仪，该仪器基于非罗兰圆结构下的椭球面变线距（EVLS）光栅像差校正理论，采用狭缝扫描式成像光谱结构，实现了具有大离轴狭缝视场的高空间、高光谱分辨的消像散光谱成像。基于蒙特卡罗统计模拟方法对太阳极紫外三波段成像光谱仪的最优模型开展光线追迹仿真实验，仿真结果表明，所设计的成像光谱仪取得了良好的光栅像差校正效果，系统空间分辨率优于0.6″，光谱分辨率在17∼21 nm波段优于0.006 nm，在70∼80 nm和95∼105 nm波段优于0.008 nm。本文研究对我国未来的太阳极紫外光谱成像仪器的发展和研制具有重要的理论意义，对我国未来的太阳空间探测任务的型号遴选具有重要的参考价值。

提出了一款工作在Ne VII 46.52 nm谱线的新型三级次无狭缝成像光谱仪，该仪器采用两个超环面等线距光栅作为衍射元件，其中单个光栅仅工作于一个级次，这解决了现有三级次仪器使用单个光栅同时工作于三个级次的弊端，显著提升了系统校正离轴光栅像差的能力，结合光谱数据反演算法可以实现24′×24′视场下的高空间（1.547″）和高光谱分辨率（0.0078 nm）观测。

基于中分辨率成像光谱仪/云和气溶胶探测激光雷达（MODIS/CALIOP）的匹配数据集，提出一个分类神经网络进行透明卷云的识别，利用两个回归神经网络对透明卷云的光学厚度和云顶高度进行反演。结果表明，分类网络的精确度可达到84%，检测率达到79%。对成功识别的透明卷云参数进行了反演，得到透明卷云光学厚度的平均绝对误差为0.2，均方根误差为0.25，相关系数为0.79。对云顶高度进行了反演，得到云顶高度的平均绝对误差为0.61 km，均方根误差为0.74 km，相关系数达到0.87。本研究利用MODIS/CALIOP匹配数据集以及神经网络算法，可得到透明卷云的分布以及其参数特性，为其在南海海域上空的分布情况提供了数据支撑，有助于相关研究人员了解该地区透明卷云的分布情况，提高辐射计算的精度。

随着搭载平台技术的不断进步，对成像光谱系统的尺寸提出了更高的要求，轻量化、小型化成为成像光谱仪的重要发展方向。针对上述问题，本文设计了一种具有轻小型化特点的自准直型短波红外高光谱成像系统。通过对系统矢量形式的理论推导，得到满足高光谱分辨率、小尺寸要求的自准直系统的初始结构，并逐步进行优化。同时，在狭缝处引入一块平面反射镜，对望远系统进行折叠，避免狭缝与探测器干涉，并进一步压缩系统的尺寸。最终设计的成像光谱仪工作波段为1610~1640 nm，F数优于3，在奈奎斯特频率为 20 lp/mm 时，调制传递函数（MTF）均优于0.8，全视场均方根半径（RMS）均小于7 μm，光谱分辨率均优于0.1 nm。光学系统尺寸优于460 mm×150 mm×150 mm。本文研究为短波红外波段高光谱探测成像光谱仪实现轻量化、小型化设计提供了一定的理论基础。

对传统中阶梯光栅光谱仪级次重叠的问题进行分析，采用声光可谐调滤波器（AOTF）结合中阶梯光栅的方法实现光谱级次分离，研究并设计了小型、灵敏、超高光谱分辨率的光学系统结构。利用CODEV软件对成像光谱仪的初始结构进行优化，得到一种结合AOTF与中阶梯光栅的小型化超高光谱分辨率成像光谱仪。与交叉色散方案相比，中阶梯光栅与AOTF结合的技术将得到更高的信噪比，并弥补了中阶梯光栅体积大、质量重的缺陷，工作波段在2320~4250 nm时，系统F数小于1.8，并获得优于0.15 nm的超高光谱分辨率，在奈奎斯特频率为17 lp/mm条件下整体调制传递函数（MTF）>0.7，各视场全波段弥散斑均方根（RMS）半径<11 μm。该成像光谱仪提供了一种大气微量成分高精度、高灵敏度测量的方案，与其他的高分辨率红外光谱仪相比，其更容易安装在空间资源有限的行星或星际航天器上。

声光可调协滤波器（AOTF）成像光谱仪可同时获取探测目标的空间图像和光谱信息，具有体积小、质量轻、中心波长挑选灵活等优势。提出一种基于AOTF成像光谱仪组合变焦光学系统设计方案并完成了主动变焦前置光学系统仿真设计。该方案由主反式变焦前置系统和具有任意放大倍数的投影系统组成，可实现大变焦范围主动变焦成像。前置光学系统的初始结构由主反式变焦系统设计理论确定，利用同轴系统的离轴解和参数优化完成离轴三反远心结构的设计和系统像差校正，构建逐步逼近优化法实现主动连续变焦。在Code V中的仿真结果表明：前置变焦系统工作波段为0.5~1.7 μm，变焦范围为260~520 mm，短焦处调制传递函数大于0.68@34 lp/mm，长焦处大于0.45@34 lp/mm，全场的均方根半径小于0.345 μm，成像质量良好。

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。

针对单透镜成像光谱仪的光谱标定展开研究, 利用单色仪扫频方式标记波长与像平面的相对关系, 利用汞灯特征谱线进行验证。针对选用的单透镜型号, 设计定标方案及步骤, 根据方案搭建实验平台, 完成实验分析验证, 最终结果表明该定标方法适用于单透镜成像光谱设备。