磁暴等空间天气事件会引起热层中性成分O和N2浓度的显著变化, 故常将氧原子和氮分子的柱密度之比O/N2作为电离层热层受扰动的标志。 研究表明, O和N2柱密度之比O/N2与远紫外气辉OⅠ 135.6 nm和N2 Lyman-Birge-Hopfield(LBH)的柱辐射强度之比135.6/LBH具有很好的相关性, 因此远紫外光学遥感探测对于监测磁暴等空间天气事件显得尤为重要。 自20世纪70年代以来, 国外就开展了远紫外气辉电离层探测的研究工作, 并相继发射了多颗相关卫星, 尤其是美国、 日本以及瑞典等国家。 而我国在轨运行的星载光学遥感探测仪器中, 只有一些工作在微波波段、 可见光波段的载荷, 还没有在远紫外波段工作的遥感探测仪器, 直到2017年11月风云三号D气象卫星的成功发射, 卫星上搭载的电离层光度计是我国首台星载远紫外气辉遥感探测载荷, 它为我们提供了一系列具有自主知识产权的远紫外探测数据, 为开展电离层O/N2特性的研究奠定了基础。 首先阐述了利用柱辐射强度之比135.6/LBH来反演热层中性成分柱密度之比O/N2的理论依据。 其次, 基于MSISE-00大气模型, 利用AURIC来仿真计算135.6/LBH与O/N2之间的比例系数, 然后利用电离层光度计实时观测的远紫外气辉数据来反演电离层O/N2, 进一步验证磁暴期间电离层中性成分受扰动的情况。 在数据处理过程中, 采用了切比雪夫滤波器滤波方式针对数据中的带外杂散光进行了处理, 进一步抑制了杂散光信号对远紫外光谱信号的影响。 最后, 将电离层光度计O/N2的反演结果与国外光学遥感载荷全球紫外成像仪GUVI（Global Ultraviolet Imager）的结果进行对比, 结果显示二者对磁暴的响应一致, O/N2的产品误差RMS约为0.319 6, 文中对造成两者差异的可能原因做出了初步分析, 为后续工作的开展奠定了基础。 此次研究, 首次利用我国自主研发的远紫外气辉遥感探测载荷进行数据反演和分析, 这对我国电离层远紫外遥感探测技术的发展具有重要意义。

风云三号气象卫星C星(FY-3C)搭载的紫外臭氧总量探测仪因太阳辐照度观测值异常而无法进行常规在轨星上定标, 导致臭氧总量产品无法正常生成。在研究了风云三号气象卫星B星(FY-3B)TOU辐照度观测数据的特点以及仪器衰减规律后, 结合FY-3C/TOU辐照度和辐亮度实测数据, 探索了基于晴空海洋像元观测值计算仪器的衰减系数法。本文选取受陆地气溶胶影响较小的热带太平洋海区, 用矢量辐射传输模式模拟云量较小的像元对应的晴空辐亮度, 比较观测值与模拟计算值, 通过统计筛选晴空像元, 估算FY-3C/TOU探测器随时间的衰减系数。在确定仪器衰减系数后对FY-3C/TOU历史数据进行处理, 反演获得了全球臭氧总量并与WMO/WOUDC地基观测数据进行对比。结果表明, 基于晴空辐亮度估算的仪器衰减系数进行的臭氧总量反演的均方根误差在5%以内。在星载紫外探测器星上辐射定标失败的时候, 可以利用晴空海洋像元确定仪器的定标系数。

为提高仪器整机性能及遥感数据反演质量,分析了仪器光学系统膜系对偏振的影响,利用氙灯、准直系统、布儒斯特起偏器和紫外光谱仪构建了一套偏振响应测试系统,测量了仪器在200~320 nm紫外波段范围内的P光与S光的偏振响应。测试结果表明,仪器在P偏振光与S偏振光照射下呈现出不同的偏振响应,偏振态由S变化到P,紫外光谱仪响应峰值波长位置由290 nm变化到275 nm,双片漫透射板相比单片漫透射板,紫外光谱仪能量减少40%~75%;增加单片与双片漫透射板后,紫外光谱仪的偏振响应值均在265 nm波长处达到最大,其中双片漫透射板使紫外光谱仪偏振响应更接近单位值1,缩小了不同偏振态光的偏振响应差异,更适用于同步辐射光源定标需求。

基于长光辰芯公司的背照式CMOS探测器GSENSE400和Xilinx公司的Virtex-4 FPGA，设计了紫外遥感仪器高速CMOS成像电子学系统，包括探测器驱动电路、低噪声偏置电源电路及时序控制单元等。在接收高速图像数据时，针对传统的通道训练方法只考虑了线路上的随机性抖动而没有考虑固定性抖动的问题，提出了一种新的训练策略，增加了对采样数据正确性的判断，提高了对数据眼图有效窗口识别的准确度。为了克服在随后的图像数据传输过程中由于温度变化和电压漂移引起的采样点的再次偏移，提出了一种实时窗口监视算法，在不影响数据正常传输的情况下，利用监视通道实时监测采样点与有效窗口左右边界的距离，根据需要及时重新调整线路延时，使采样点始终位于比有效窗口更小的一个安全采样窗口内，由此保证了图像数据长时间接收的高可靠性。设计的高速CMOS成像电子学系统工作稳定，输出图像数据率最高可达2.4 Gb/s，读出噪声为1.72e-，动态范围94 dB，满足载荷的任务需求。

紫外(UV)波段是靶场光电测量的重要方式，但紫外波段目标信号弱，可选取的光学材料很少，这都为高分辨率紫外观测带来了困难。设计的用于靶场的大相对孔径长焦距紫外望远系统解决了上述问题，利用折反系统与二次成像的方法获得F数2、焦长400 mm、视场1°、波段范围250~400 nm的紫外光学系统。经过光学软件分析，望远系统各视场奈奎斯特频率（38 lp/mm）调制传递函数(MTF)分别高于0.7。考虑到外场环境的适应性，进一步考察了望远系统在-40 ℃~60 ℃环境下的调焦量以及成像质量，分析结果表明，各温度下调焦后的奈奎斯特频率MTF均优于0.5，设计结果满足靶场设计指标与实际应用需求。

空间遥感仪器的漫透射板受太阳真空紫外辐照而导致的半球透射率变化将影响仪器在轨辐射定标结果。分析了太阳紫外辐射光谱特点及漫透射板在轨工作的紫外辐照剂量，利用标准氘灯作为光源模拟太阳115~200 nm的紫外光谱，在特定距离下对紫外熔石英漫透射板进行了辐照实验。太阳等效紫外辐照48 h后，熔石英漫透射板半球透射率在250~1000 nm波段产生了不同程度的衰减，其中，紫外波段半球透射率衰减程度略高，250 nm处衰减约为3%，近红外波段衰减程度略低，1000 nm处衰减约为1%，对漫透射板进行清洗后，半球透射率基本恢复到最初状态。实验结果初步表明，漫透射板表层污染是引起半球透射率衰减的主要因素，该结果将对空间遥感仪器太阳漫透射板防护、在轨定标与衰减修正具有重要意义。

针对电离层远紫外遥感的O/N2 反演图像质量评价应用，以GUVI网站发布的图像为参考，分别从RGB和HSV两种颜色空间对获取的远紫外O/N2 图像的反演质量进行了对比分析。利用RGB颜色空间的评价函数和HSV颜色-空间直方图相交匹配的方法评价了反演图像与参考图像间的相似程度，待评价图像与参考图像之间具有较高的一致性。结果表明，从图像的角度评价远紫外遥感热层O/N2 图像的反演质量是切实可行的。

论述了地球临边及天底模式大气探测的原理，依据应用要求设计和研制出了具有全新探测模式的在近地球轨道能同时对地球临边和天底大气进行探测的紫外环形成像仪原理样机。该样机采用折反式光学系统，它的三个工作波段分别为285～295 nm、305～315 nm和350～360 nm，能实现地球临边（对应大气垂直高度0~120 km）多方位以及天底10°视场角内的成像探测，其探测数据被用于反演大气辐射多方位的空间分布及动态结构。最后对该原理样机的310、355两个通道进行了性能评价。结果表明，其空间分辨率和信噪比均达到设计指标要求，满足空间紫外遥感的应用。

为了减小空间紫外遥感仪器(SURSI)光谱响应度定标不确定度，实现SURSI在轨的高精度探测，对SURSI定标环境进行了深入的分析研究。利用光学薄膜的电磁场理论数值计算出铝+氟化镁膜在250~400 nm波段，真空和大气两种环境下的反射率值并进行比对。通过构建SURSI真空/大气响应度比对测试研究系统，对SURSI整机光谱响应度在两种环境下的差异进行了实验研究，在250~400 nm波段，平均偏差可达3.8%。理论分析及实验结果表明：受仪器内部光学元件铝+氟化镁膜光学性质的影响，SURSI光谱响应度在真空和大气不同环境下存在明显差异，且偏差值具有波长相关性，直接说明SURSI辐射定标在真空环境下完成的必要性。