气溶胶在大气辐射收支平衡、气候变化、降水、云的形成以及环境污染方面扮演着重要的角色。为了实现对气溶胶光学参数的大范围、高精度、定量化测量，2019年3月使用大气环境星气溶胶碳探测激光雷达（ACDL）的机载缩比系统（Air-ACDL）在中国山海关地区开展了机载观测试验。试验完成了不同污染天气、不同高度以及不同地表类型下的多架次观测。将六天飞行试验得到的机载高光谱激光雷达（HSRL）测量的气溶胶光学深度（AOD）分别与地面站点的太阳光度计和卫星遥感数据进行对比分析，其相关系数R均达到0.90以上，其样本数量分别为86与2200。基于机载HSRL的观测数据，提出了适用于Air-ACDL的气溶胶分类方法，并对山海关地区的气溶胶进行了分类研究。使用后向轨迹传输模型、云气溶胶激光雷达和红外探路卫星观测（CALIPSO）气溶胶分类结果，以及Aura卫星臭氧监测仪（OMI）传感器等数据验证Air-ACDL测量的气溶胶分类的可靠性。多架次Air-ACDL观测结果表明：相比于传统激光雷达气溶胶分类方法，基于Air-ACDL的气溶胶分类方法能够对气溶胶进行更加准确的分类；山海关地区地理位置特殊，观测期间，当地气溶胶除由本地供暖等活动产生的城市气溶胶之外，还有受大气传输影响来自内蒙古地区的沙尘气溶胶，以及来自东南渤海地区的海洋气溶胶。

为实现对全球气溶胶光学参数剖面的高精度测量，采用基于碘分子滤波器的高光谱分辨率探测技术。结合欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的大气再分析数据集（ERA5）的温度和压强数据，选取在轨期间途经撒哈拉沙漠和加拿大山火区域的星载高光谱分辨率激光雷达（HSRL）的观测数据，对沙尘类气溶胶和烟尘类气溶胶的光学特性进行分析，包括气溶胶的后向散射系数、消光系数、退偏振比和雷达比。结果表明：撒哈拉沙漠地区近地面5 km以内的气溶胶分布主要以沙尘类气溶胶为主，其退偏振比集中在0.2~0.4，雷达比数值集中在40~60 sr；加拿大山火地区的气溶胶主要以烟尘类气溶胶为主，其退偏振比集中在0.02~0.15，雷达比在50~70 sr范围。激光雷达特有的高光谱探测技术，在气溶胶和云的精细化探测和分类方面具有重要应用，将在环境监测中发挥重要作用。

考虑到多纵模高光谱分辨率激光雷达（MLM-HSRL）接收的大气弹性散射回波具有与激光器发射光束一致的高斯传输特性，因此分析马赫-曾德尔干涉仪（MZI）光程差和透过率时必须要考虑发散角的影响。详细分析入射光束的发散角对大光程差MZI分光性能的影响，仿真计算得到基于空气腔的大光程差MZI所允许的光束发散角要≤0.4 mrad。为了降低发散角对大光程差MZI分光性能的影响，提出一种基于补偿玻璃的大光程差MZI的视场展宽技术。理论分析和仿真结果表明，视场展宽后系统可允许的发散角可达25.6 mrad，视场展宽技术极大地提升了大光程差MZI的分光能力。

快照式光谱成像系统可实时获取运动目标的光谱图像,在动态目标跟踪和识别等领域有着迫切的应用需求。快照式光谱成像系统的光谱分辨率与空间分辨率相互制约,针对现有快照式分光成像系统数值孔径小、难以同时实现高光谱分辨率和高空间分辨率的问题,提出了一种基于Dyson同心结构的新型快照式分光成像系统,它具有数值孔径大、成像性能优和结构紧凑等优点;视场离轴和复杂化设计可在保持光学成像性能的同时,增大机械装调空间,具有很好的工程可实施性。优化设计得到的新型快照式分光成像系统的数值孔径达到了0.3,光谱分辨率优于0.54 nm,空间采样点数为112×24。这种高光谱分辨率和高空间分辨率的快照式分光成像系统可为研究对大视场内快速运动目标进行精确探测识别的快照式光谱成像系统提供重要的理论基础。

利用虚像相位阵列 (VIPA) 的强色散能力发展而来的 VIPA 光谱仪是一种新型的高性能光谱测量装置, 兼具宽光谱覆盖范围、高时间分辨率及高光谱分辨率等优点。基于 60 GHz 自由光谱区 (FSR) 的石英 VIPA, 研制了一台可用于红光波段光谱测量的 VIPA 光谱仪, 并测量了 633 nm 多模激光器的出射光谱。在 100 μs 的时间分辨率下, 获得了单次 3.1 nm 测量谱宽、2.0 pm (1.5 GHz) 的高光谱分辨率, 连续 4 h 运行显示光谱漂移小于 0.50 pm。通过采用衍射光栅扫描装置、更短曝光速度的面阵 CCD 和更大 FSR 的 VIPA , 有望进一步提高光谱仪性能。

高光谱分辨率光栅光谱仪是探测太阳大气活动的重要仪器。由于光栅衍射效率受光栅入射角的影响, 从而直接影响光栅光谱仪的能量利用率, 因此如何准确确定光栅入射角是光栅光谱仪光学设计面临的重要问题之一, 现有方法多依靠工程实践积累的经验。为此, 以多个特征谱线均能获得更高光栅衍射效率为优化指标, 以光栅入射角为研究对象, 提出了一种高光谱分辨率光栅光谱仪的优化设计方法, 并给出了针对云南天文台 1 m 新真空太阳望远镜 (NVST) 的多波段光栅光谱仪设计方案。

为实现对气溶胶光学参数的大范围、高精度、定量化探测,使用一套基于碘分子滤波器的机载高光谱分辨率激光雷达(HSRL)系统开展飞行实验,同时在地面设置辅助验证观测站。实验研究了秦皇岛地区的气溶胶变化趋势、不同下垫面类型下的气溶胶分布以及秦皇岛气溶胶光学厚度(AOD)的高值地区,并将HSRL系统反演的AOD数据与地面站点的太阳光度计和卫星遥感器测得的数据进行对比分析,三者相关性优于0.95。结合地面气象数据和机载观测数据,对不同飞行天次下秦皇岛地区的污染物来源以及城镇、山地、海洋等不同下垫面类型下的气溶胶光学参数分布特征进行分析,包括气溶胶后向散射系数、气溶胶消光系数、雷达比、色比和退偏比。结果表明:城镇地区的大气低层中以生物质燃烧和工业产生的气溶胶为主,海洋地区大气低层中以污染型海洋气溶胶为主,山地地区大气低层中的粒子尺寸较大,以污染型沙尘粒子为主。