电离层空间环境复杂，紫外波段辐射能量微弱，如何抑制远紫外高光谱成像仪杂散光是研究远紫外电离层高光谱载荷的重要环节。依据系统技术要求，给出单超环面光栅型高光谱成像仪杂散光抑制方法，首先分析杂散光的主要来源和传播路径，利用UG软件设计消杂光结构，使用LightTools软件仿真不同视场和不同光栅衍射级次下接收面的能量响应，评估杂散光抑制效果。结果表明：视场外杂散光能量和视场内光线能量量级相差10^-5~10^-7，光栅非工作衍射级次光线能量和工作级次能量量级相差10^-6~10^-8，中心波长处光谱杂光系数为0.9975%，所提方法满足空间远紫外高光谱遥感指标要求。

利用紫外恒星对远紫外高光谱成像光谱仪进行在轨定标是实现高精度定量遥感的重要步骤。然而,在上述过程中,在轨定标系数无法直接用于目标反演。因此,转换在轨定标系数对提升仪器在轨定标精度具有重要意义。推导了定标系数的转换过程,给出了新的定标系数方程,并利用研制的仪器开展了相关验证实验。结果表明,利用修正后的定标系数进行目标反演,可将反演精度提升40%。

根据遥感领域高光谱成像对大幅宽、高分辨率需求，研制了一套适合航天LASIS高光谱成像应用的高分辨率、宽视场、高光谱、高可靠性的新型高速光谱成像仪电子学系统，它采用多片四通道并行处理ADC芯片进行模数转换，以V5系列FPGA为核心处理器，用高速SerDes芯片传输图像数据，成像测试及相关环境试验及可靠性测试，验证了设计的有效性。该设计为我国进入航天遥感领域领先行列提供了技术支撑，也为深入开展高分辨遥感提供了有益的借鉴。

由于热红外高光谱成像仪的狭缝宽度与成像波长在同一量级, 光在其内部传播时能量发生损失而不能全部被探测器像元接收, 因此基于几何光学的计算像元能量的方法已不再适用。为了探究能量损失情况, 采用时域有限差分方法计算了热红外高光谱成像仪中光聚焦入射狭缝前表面时狭缝后光强的分布, 并利用瑞利-索末菲矢量衍射理论得到了远场光强分布, 从而分析了不同狭缝宽度、狭缝厚度时能量的损失情况, 并搭建了实验装置进行验证。结果表明, 随着狭缝宽度增加, 能量损失逐步减小, 且能量主要是由于狭缝后方光波衍射导致能量不能全部进入后级成像镜头而损失, 在狭缝内部损失的能量很少。当狭缝宽度为几十微米量级时, 狭缝厚度对能量损失影响不大。

针对海洋环境、海洋水色等领域的发展需要, 设计了一种适于机载的宽视场、大相对孔径的改进型Dyson光谱成像系统。根据海洋环境污染的光学特性, 利用不同目标反照率值估算目标信号的信噪比, 将高光谱成像仪的工作波段扩宽至紫外波段; 使用大像元尺寸的探测器、大相对孔径的成像系统来满足对海洋目标弱信号的识别, 同时通过降低积分时间来避免近海岸沙滩信号过强引起的探测器饱和。该光谱仪的工作波段为0.32~1.05 μm、相对孔径为f/1.8、像元尺寸为24 μm×24 μm, 通过加入弯月形的矫正镜避免了狭缝、探测器、滤光片和单透镜相互之间产生干涉。设计结果表明, 整个光学系统各波长的传递函数均大于0.83, 谱线弯曲和谱带弯曲均小于像元尺寸的4%。所设计成像光谱仪系统适用于海洋环境污染,尤其是海洋溢油污染的监测。

覆盖“日盲”紫外到近紫外波段的光学材料少，增加了小 F数、大视场宽谱段紫外高光谱成像仪设计的难点。本文仅采用熔融石英和氟化镁两种材料，设计了一套宽谱段紫外高光谱成像仪，光谱范围为 250～400 nm，焦距 15 mm，F数 3.2，视场 31°。系统实现了模块化设计，前置成像镜头和后接光谱仪可独立成像。为保证对接后高光谱成像仪具有较好的像质，紫外镜头采用像方远心设计；光谱仪采用 Offner结构，且反射镜实现了一体化设计，由两个元件组成，可实现同轴安装，极大降低了装调难度。对接后紫外高光谱成像仪像质较好，系统结构紧凑，外形尺寸仅有 128 mm×60 mm×60 mm，实现了系统轻小型化设计。

为满足高光谱成像系统高空间分辨率和高光谱分辨率的要求, 并应对实际应用中对仪器小型化、 轻量化、 高光学效率的新需求, 研究一种基于利特罗结构的棱镜色散高光谱成像系统, 采用离轴两反的利特罗结构形式减小光学系统的体积, 同时为平面棱镜提供准直光路, 并以宏编程的优化方式, 避免系统中光路干涉。 结果表明, 通过非球面反射镜和双校正透镜的设计, 该光学成像系统的谱线弯曲均小于2.1 μm, 色畸变小于1.3 μm, 控制在18%像元内, 在400～1 080 nm可见—近红外（VNIR）工作波段的光学调制传递函数（MTF）均达到0.9以上, 光谱分辨率为1.6～5.0 nm, 光谱透过率在51.5%以上, 系统在整个工作光谱范围都具有较高的透过率和像质。

星载多模式差分吸收高光谱成像仪是一种新型空间大气探测仪器，要求同时具有天底、临边和掩日等多模式探测功能，主要用于二氧化硫、二氧化氮等大气痕量气体探测。提出了利用两个扫描镜切换不同探测模式、利用双光谱仪减小系统的光谱杂光，利用分色片将工作波段分成3个通道实现多模式高光谱分辨率探测的新方法，设计了一个多模式差分吸收高光谱成像仪光学系统，瞬时视场为1.8°×0.04°，系统F数为2，工作波段为250~500 nm，分成250~310 nm、300~410 nm和400~500 nm 3个通道。利用ZEMAX-EE软件进行优化设计和分析，其中250~310 nm通道，光谱分辨率为0.12 nm，满足光谱分辨率不大于0.4 nm的指标要求；300~410 nm和400~500 nm通道，光谱分辨率分别为0.25 nm和0.23 nm，满足光谱分辨率不大于0.6 nm的指标要求。多模式差分吸收高光谱成像仪在空间维方向的调制传递函数（MTF）在特征频率0.25 lp/mm处达到0.98以上，能够满足空间多模式差分吸收高光谱大气探测的要求。