风云三号D星(FY-3D)于2017年11月15日成功发射, 搭载了国内第一颗自主研制的极轨红外高光谱大气探测仪(High-spectral Resolution Infrared Atmospheric Sounder, HIRAS), 数据将在数值天气预报、大气温/湿廓线反演、大气成分探测等方面得到广泛应用。为满足高精度的探测能力需求, HIRAS的光谱分辨率达到0.625 cm-1, 辐射定标精度要求达到1.0 K, 光谱定标精度要求达到10×10-6, 均为目前国内星载红外仪器最高精度指标。由于光谱频率的精确性会直接影响辐射精度, 红外干涉仪器在数据应用之前必须进行光谱定标精度的精确评估和监测。以晴空视场下的高精度逐线辐射传输模拟光谱作为参考基准, 利用互相关法计算光谱频率偏差, 对发射后的HIRAS在轨数据的光谱定标精度进行了全面评估和验证研究。HIRAS在长波、中波1和中波2的光谱精度达到3×10-6, 其中长波和中波1光谱偏差标准差小于2×10-6, 远优于仪器设计指标要求; 长期的光谱精度稳定性显示HIRAS中波1和中波2的光谱定标精度较稳定, 在半年时间内频率变化小于5×10-6, 长波波段在半年的时间内有往负频率偏差变化的趋势, 变化量约为7×10-6, 需要进行持续监测。HIRAS在轨光谱精度可满足后端产品反演和同化用户的使用需求。

设计一个有效的连续自由曲面，将给定的准直激光光束映射成任意模式的目标照明，仍然是一个具有挑战性的问题。提出一种基于光线映射来构造连续自由曲面的方法，通过计算光源与目标区域两者辐照度分布之间的光线映射关系，构造出光滑连续的自由曲面。对于准直输入光束，采用最优运输法计算光源与目标之间的光线映射; 根据折反射定律和可积条件，推导出用于求解可积映射关系和连续自由曲面的一般条件; 证明在小角度近似的情况下，基于最优运输法得到的光线映射关系可以满足可积条件; 通过逐线积分法求解出满足一定边界条件的线性平流方程，从而完成连续自由曲面的构造。实验表明，利用逐线积分法求解标准积分方程构造出的连续自由曲面能实现任意模式的目标照明，能量利用率达98.95%。结果表明，基于最优运输法得到的光线映射关系在自由曲面和目标平面之间的距离较大时近似可积，提供了一种有效的构造连续自由曲面的方法。

利用逐线积分方法，建立了一种均匀大气中氧气 A吸收带平均透过率快速计算模型。模型采用等波数间隔取样，能根据大气温度和压强自动选择谱线线形，并利用直和模型进行快速近似计算 Voigt线形函数。在不同大气模式下设置不同传输路径，利用该模型计算氧气 A带平均透过率与路径长度关系曲线，并将计算结果与 Modtran软件计算结果进行对比。从对比结果可知，不同路径下模型计算的平均氧气透过率最大相对误差均小于 2%，计算时间均小于 1s，具有较高的准确度和计算实时性。计算结果表明该模型能够在均匀大气中对氧气 A带平均透过率进行快速准确计算。

为了解决氧气A吸收带被动测距中使用高光谱成像系统存在测量实时性差的问题，提出了一种氧气A吸收带平均透过率的多光谱非成像测量方法。该方法利用3个窄带滤光片分别采集目标位于氧气A吸收带及其左右带肩的辐射强度信息。选择光电倍增管作为光电转换器件，在外场条件下开展氧气A吸收带平均透过率测量实验。建立了氧气A吸收带透过率的逐线积分模型，通过对比实验测量值与模型理论值验证了该方法的可行性。对比结果表明，在测量距离为100~400 m范围内，氧气A吸收带平均透过率的测量误差在0.146%~1.576%之间，证明了该方法的可行性。

目标红外被动测距的实现同气体及其波段的选取密切相关。氧气A吸收带具有独特的谱线结构, 对于火箭羽流或者高温辐射体的距离探测, 氧气A吸收带是最佳的距离反演通道。利用该特点, 详细研究了逐线积分算法(LBLRTM), 并设计了氧气A带吸收系数及标准光谱计算软件；利用A吸收带吸收光谱带外数据, 采用多项式拟合方法, 实现基线(baseline)拟合, 进而得到带平均透过率；在不同的距离条件下, 将两种带平均透过率进行对比, 误差在1.9%左右, 拟合精度较高, 该方法为后续距离的精确反演提供了理论依据。

目标红外测距的实现同气体及其波段的选取密切相关。氧气A吸收带具有独特的谱线结构，对于火箭羽流或者高温辐射体的距离探测，氧气A吸收带是最佳的距离反演通道。通过深入研究逐线积分算法，设计了氧气A带标准光谱计算软件；利用吸收带带外数据，采用基线拟合的方法反演不同距离的带平均透射率，进而得到相应的距离。将ABB灯作为被测光源，在不同的距离下采集相应的光谱，并进行拟合计算，将实测数据的拟合计算结果同理论计算结果进行对比验证，其误差低于0.5%,在允许范围内。

大气对太赫兹辐射传输存在一定的非协作性，即存在吸收衰减。为了实现太赫兹辐射的有效应用必须细致地了解太赫兹辐射大气传输的窗口位置、宽度及大气透过率。选取了处理大气非均匀路径、吸收带重叠等大气辐射传输问题的最精确方法——逐线积分法，发展计算程序，并基于HITRAN分子谱线数据，对水汽、氧气、臭氧、氮气、二氧化碳等单组分气体分子对太赫兹辐射传输的吸收衰减情况进行了计算与分析，并给出了在太赫兹电磁波大气传输衰减中占主要因素的水汽和氧气的衰减峰位置。

为了实现红外光谱被动测距技术的准确测距以及透过率的精确计算, 采用插值法进行了基线拟合算法研究。以氧气A带为例, 利用逐线积分计算出A吸收带两边的带外数据, 采用多种插值拟合方法来拟合, 进行了详细的理论分析和仿真验证。通过几种拟合结果的对比, 多项式插值拟合取得了比较好的结果, 拟合精度最高。结果表明, 多项式插值拟合基线算法为建立透过率和距离等条件的数据库提供了方法, 为被动测距的实时测量提供了坚实的基础。

空间外差光谱技术(SHS)是一种可进行高光谱分辨率探测的光谱分析技术, 其灵敏度高, 可实现成像探测, 特别适用于大气中痕量气体的观测。鉴于此, 提出了一种在实验室理想环境下水平观测水汽的逐线积分反演算法。使用Voigt线型函数计算出所选带宽内各吸收线的吸收系数, 并将半宽校正到相应压力水平下; 考虑各吸收线的线翼吸收贡献, 计算出波段内的平均透过率; 结合通过实测光谱得出的透过率推算水汽浓度。应用在1590～1610 cm-1波段内傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)的实测数据计算不同水汽浓度的平均透过率, 并与相应的应用Modtran计算的结果相比较, 最终验证了算法的可行性。