为探测中层大气风场信息，研制了一台具有热补偿特性的大集光率（AΩ）、高信噪比（Signal-to-Noise Ratio, SNR）的地基多普勒非对称空间外差（Doppler Asymmetric Spatial Heterodyne, DASH）干涉仪。针对557.7 nm的氧原子气辉谱线，制定了DASH干涉仪的详细参数和指标。系统采用扩视场和消热差设计，半视场角达到2.815°，集光率为0.09525 cm²sr，系统信噪比在113.75左右，经过热补偿设计后，最终光程差随温度变化(dΔd₀/dT)的数值仅为2.224×10⁻⁷ mm/°C。根据相应参数设计优化了光学系统，前置光学系统和探测器光学系统分别采用像方远心和双远心结构，各项指标均满足探测要求。为验证设计结果，搭建了地基DASH干涉仪实验平台，进行室内以及地基室外实验，最终得到了明显的干涉条纹。上述结果证明DASH干涉仪的系统设计是合理的，系统的信噪比和集光率满足检测要求。

通过气辉成像仪对电离层气辉进行探测, 能够反映电离层中电子总含量、 等离子体泡分布等特性, 是有效的电离层探测方式之一。 电离层的原子分子在白天吸收太阳辐射激发到较高能态, 在夜间以气辉的形式将能量辐射出去, 辐射强度与所参与反应的电离层成分密度等密切相关, 因此气辉是用来观测电离层很好的示踪物。 天基气辉成像方法具有全球范围观测的巨大优势, 为了推动天基成像仪的设计研制和参数优化, 丰富和扩展电离层探测手段, 需要对全球气辉强度进行成像仿真分析。 该研究主要工作: (1)分析了电离层夜间630 nm光化反应过程, 设计了一种气辉成像仿真分析方法, 该方法对630 nm辐射强度进行计算, 分别获得了太阳活动高年和低年内四个不同季节的气辉单光谱信号源强度分布, 为设定探测指标提供理论依据; (2)开展了630 nm气辉天底成像仿真研究, 包括成像链路分析、 信噪比分析, 并使用一个时间延时积分成像的典型成像仪参数, 开展结合卫星运行轨道的扫描成像仿真。 本文主要结论: (1)夜间630 nm单光谱气辉强度与日间太阳辐射强度关系密切, 太阳活动高年夜半球平均辐射强度为115 Rayleigh, 太阳活动低年夜半球平均辐射强度为50 Rayleigh, 辐射大小和分布符合卫星载荷GLO-1和国际空间站IMAP任务的实际观测结果; (2)典型参数成像仪天底观测幅宽达到245 km, 气辉水平分辨率达到1 km, 对强度大于50 Rayleigh气辉成像的信噪比优于10, 在太阳活动高年能够清晰观测电离层气辉全球尺度结构, 在太阳活动低年能够观测低纬地区电离层气辉结构。 该研究结果可为天基电离层气辉成像探测提供理论依据, 也可为其他辐射波段的气辉观测和成像仪参数设计优化提供参考。

中间层与低热层区域(mesosphere and lower thermosphere, MLT)处于中性大气与电离层大气之间的过渡区域, 也是中高层大气中一个重要的耦合区域。 基于自主研发的中间层顶气辉光谱光度计(mesopause airglow spectral photometer, MASP), 对其探测转动温度的反演方法进行了详细研究。 MASP的整个探测系统包括光阑、 消色差双胶合透镜、 窄带干涉滤光片、 镜头、 制冷CCD探测器, 元件之间通过黑色氧化铝套筒连接, 利用金属支架和精密的卡环将套筒和CCD探测器固定在面包板上。 外壳具有良好的隔热性能, 并配有低功率半导体TEC空调, 保证恒温在(23±0.5) ℃。 MASP的视场角为±13.6°, 探测高度为94 km左右, 观测视角投影在该高度上的天顶方向的区域直径约为44 km, 探测目标为该区域内厚度约为3~6 km气辉层的平均温度。 基于仪器的光学原理、 气辉O₂(0-1)带的光谱特征以及标定后各项仪器参数, 构建了正演模型, 并从正演图像中计算出了合成光谱。 给出了反演算法的详细流程, 包括暗噪声、 宇宙射线、 月光图像和连续光谱背景杂散光的剔除方法, 同时提供了实际观测合成光谱的计算方法, 温度反演流程及其误差的评估。 2018年9月开始在南京信息工程大学观测场平台进行连续观测, 目前已经获得多组高质量的数据。 文中的观测实例展示了2次完整夜间的观测个例, 以及2018年10月间13组有效数据的平均值, 其整体变化趋势显示观测温度分布在170~220 K之间, 误差范围在±1.8~±4.3 K之间。 通过与MSISE00经验模型的数据进行对比, 温度趋势具有良好的一致性, 从而验证了反演方法的有效性和准确性。 MASP结构紧凑, 性能稳定, 后期易于维护, 适用于多台站组网观测。