大气气溶胶作为地球大气中最重要的组成成分之一,在全球生态环境、气候变化、社会民生以及定量遥感等方面均具有重大影响,利用遥感卫星探测全球大气气溶胶具有重要意义。早期的气溶胶遥感载荷难以同时适用于不同类型地表上空的大气探测,为了能够准确遥感反演全球各类地表上空的大气气溶胶,需要卫星载荷能够精确获取大气散射光的多角度偏振光谱信息。然而目前国际上关于该类光学仪器的研究尚处于初步阶段,是制约大气气溶胶遥感领域的技术瓶颈之一。本论文从遥感探测全球大气气溶胶的实际需求出发,详细分析论证出卫星遥感载荷所需要达到的光学性能指标:根据应用需求的不同,研究设计出两种类型的卫星遥感多角度偏振成像光谱仪光学系统,设计指标高于目前国际上的同类仪器,并对其中存在的科学问题和关键技术问题提出了解决方案。本文的研究内容主要包括以下几个方面:1、首先介绍了大气气溶胶遥感领域的研究背景,包括遥感反演方法和探测仪器的发展现状,并具体指出目前气溶胶光学遥感仪器所存在的科学问题和关键技术问题。通过对比目前各类气溶胶遥感光学仪器的工作原理,指出偏振光谱调制技术的优势,并对该工作原理进行了理论说明和计算机模拟验证。2、从遥感探测全球大气气溶胶的实际需求出发,详细分析出光学系统的工作波段、视场角、空间分辨率等指标参数。通过分析计算气溶胶的探测精度与光学系统信噪比、相对孔径的关系,提出了气溶胶遥感载荷所需要达到的光学性能指标。3、提出了消热差偏振调制模块的设计方案,详细论述了偏振调制模块的消热差设计方法和设计结果,可以有效避免环境温度的改变对系统中多级波片光学性能的影响,从而保证偏振信息的探测精度。分析了消热差偏振模块的加工装调公差要求,并首次提出了“单波片调制法”用于精确测量多级波片光程差。4、给出了外拼接式多角度偏振成像光谱仪的设计方案。研究设计出前置透射式像方远心望远物镜、透射光栅分光装架光学系统。根据光学系统波像差理论,提出利用分光装架中成像镜组的整体倾斜和偏心的方法,校正平面透射式光栅的谱线弯曲和象散等像差。5、为了进一步缩小光学系统的体积功耗,并降低偏振信息的测量误差。提出了内拼接式长狭缝多角度偏振成像光谱仪设计方案。研究设计出前置多角度望远物镜和非球面长狭缝Offner分光装架,给出整机设计结果,设计指标高于国际上同类仪器。6、给出光学系统实验装置的研制结果。采用衔接式镜筒的机械结构设计方案,降低了偏振光学元件的装调难度。给出了测量消热差多级波片光程差的实验结果,验证了“单波片调制法”的正确性。开展了室内、室外探测实验,验证了光学系统可以有效探测大气气溶胶散射光偏振光谱信息。