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随着人类对大气遥感研究的深入，空间电离层高层大气遥感正在成为地球空间科学所关注的热点，掌握其粒子光谱辐射规律，进而建立分布模型，实现高层大气空间环境天气预报，对人类活动具有重要意义。用于该方面研究的天底-临边成像光谱仪是一种新型的空间光学遥感仪器。本文根据电离层高层大气探测的空间应用需求，提出了一套应用方案，并设计研制了原理验证系统。方案以国外相关先进仪器为基础，针对所采用的天底观测和临边观测结合的方式，设计了两种结构紧凑的光谱仪系统，光谱覆盖范围为130nm～180nm。两种系统均由前置光学系统和光谱成像系统构成，前置光学系统一致，为离轴抛物镜;光谱成像系统则分别为改进式Czerny-Turner系统和单超环面光栅系统。前者的色散元件采用平面光栅，为满足成像光谱仪宽波段成像的要求，深入分析了传统Czerny-Turner光谱成像系统的像差形成机理，进行了相应的优化设计，获得了改进型结构的宽波段成像条件，并得到了良好的设计结果。该方案易于加工和装调，且避免了受复杂光栅制造技术的制约;后者的色散元件采用超环面光栅，在设计中以光程函数为基础，对单光栅系统进行了详细的像差分析，得到该系统的宽波段像差校正条件，并在引入遗传算法的基础之上，对这些校正条件进行了最优值计算，从而设计出符合要求的成像光谱仪结构。此种方案光学元件的数量最少，系统能量传输率最高。
由于超环面光栅制作复杂且昂贵，为便于加工、装调和试验验证，本文的原理验证系统方案采用了离轴抛物镜与改进型Czerny-Turner光谱成像系统相匹配的光学结构。光谱辐射传输特性研究、光学系统传输效率和信噪比分析结果表明:该方案满足远紫外波段探测需求。本文研制了成像光谱仪原理验证系统，配合相应探测器进行了辐射定标和相关实验验证，并结合其波段特点，对系统展开了辐射定标和性能评价:实验获得了原理系统的光谱辐照度响应度，其定标合成不确定度为7.7％，测得空间分辨率为0.7mrad，光谱分辨率为1.76nm(161nm处)。该远紫外光谱仪原理验证系统性能满足设计要求，验证了方案的可行性，填补了目前国内的研究空白，并为今后在气象卫星等空间项目上的推广应用奠定了技术基础。