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。

浸入式光栅常应用于光学材料折射率较高的红外谱段.其特殊的工作模式会产生一系列普通反射式光栅不需面临的问题, 而它们对于浸入式光栅的应用却十分重要.论文推导了普通光栅长波端与短波端谱线长度的关系.针对折射率与波长相关的特点, 以短波红外(1.5~2.5 μm)为例, 分析其谱线位置分布及光谱分辨率变化特性.结果表明, 浸入式光栅谱线分布相较于普通光栅有明显差异, “梯形”谱线会发生倾斜.在折射率变化较大的短波红外谱段, “梯形”谱线倾斜程度较明显.在以长波(2.5 μm)配准Littrow条件时, 谱线向短波端倾斜, 以短波(1.5 μm)配准时向长波端倾斜, 且Littrow波长均漂离中心波长.由于折射率在热红外谱段变化较小, “梯形”谱线倾斜较小, 更接近普通光栅情况.浸入式光栅的光谱分辨率随折射率变化而改变, 同级中, 波长增大分辨率增大；各级间, 级数减小分辨率减小.同时, 由于高级次(短波)分辨率大于低级次(长波), 因此各级谱线长度之比不再满足普通光栅中的比例关系.

天文探测中，要求类地行星探测中视向速度的测量精度达到10 cm/s。圆形光纤扰模引起的谱线漂移成为影响视向速度测量精度的一个主要因素。提出了圆形结合多边形光纤的分段式光纤传输系统,以改善圆形光纤的扰模特性。利用搭建的测试光纤远近场光斑质量的光学系统，评价光纤出射场的光斑质量；分别研究了圆形光纤、圆形结合正方形光纤、圆形结合八边形光纤的分段式光纤传输系统在不同耦合条件下的远近场分布；分析了系统的扰模增益及能量变化。结果表明，圆形结合多边形光纤的分段式光纤传输系统提高了系统的扰模特性和稳定性。当多边形光纤芯径小于圆形光纤时，较大的入射偏移量引起耦合能量损失；当多边形光纤芯径大于圆形光纤芯径时，能量守恒。圆形结合八边形光纤传输系统的近场质心偏移较小，扰模系数较高，可有效减小耦合误差引起的谱线漂移，从而提高视向速度的测量精度。

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。

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。

针对色散型高光谱成像仪实验室光谱定标方法进行了研究，在实验室光谱采集过程中仪器内部产热导致波段中心波长的漂移，由于高光谱带宽较窄，波段内中心波长的偏移会对光学遥感器的辐射定标精度产生影响。鉴于此，提出了谱线漂移校正模型来校正光谱定标结果。在文章最后分析了模型的精度并分别根据校正前后的光谱定标结果反算出积分球出射口处的辐亮度，与真实积分球数据对比，结果证明应用谱线漂移校正模型可以很好地校正谱线温漂的现象。