伴随着辐射定标技术的进步,光学遥感技术在社会经济、国防安全、环境监测、工程和信息技术等领域发挥着越来越重要的作用。在发射和在轨运行过程中,星上定标系统由于受到天气、太阳入射角度、仪器老化等复杂因素的影响,不同遥感仪器无法在轨溯源到一个统一的辐射标度,导致不同卫星平台或相同卫星平台遥感器之间数据缺乏可比性,从而限制空间遥感在各方面的应用。目前星上定标主要有两种方案:一种是使用太阳光照射漫反射板作为星上定标光源,但是漫反射板直接暴露在紫外环境中会造成无法预测的衰减,并且太阳入射角测量困难。另一种是将标准灯做为定标光源,方式主要有“标准灯+漫反射板”和“标准灯+积分球”两种形式。“标准灯+漫反射板”系统中,光的强度和稳定性都随着入射光视场角的变化而变化,容易引入入射光不均匀、入射角度及位置造成的探测器响应误差。而“标准灯+积分球”系统里,如果想要得到大面积的均匀性光斑,根据积分球出射光的特性,积分球的开口要做的很大,积分球的体积和重量也要随之增大,不利于星上定标。所以我们结合了两种方法的特性,提出了使用小开口的积分球进行匀光,再对其进行光学设计,从而得到准直的、辐照度均匀的光源。本文的主要创新性工作如下:1、提出使用内置标准灯的积分球作为定标光源配合自由曲面反射镜,实现辐照度均匀的照明输出,该方法使用单片反射镜实现多个光学组件预期的光路折转、空间调制,缩短了传递链路,节约卫星资源需求。通过自由曲面反射镜准直积分球发出的朗伯光源,使传递辐射计和成像光谱仪可以共光路观测同一目标,消除了光源差异引入的误差。2、通过分析雅克比矩阵的性质,建立了自由曲面的数学模型,并提出使用切比雪夫点离散分割自由曲面初始模型,使得各部分的能量对应关系更加清晰,从能量利用率和均匀性两个角度研究自由曲面反射镜的构建,通过MongeAmpére方程构建同轴、离轴两种情况下的照明系统。通过仿真分析:在同轴照明系统中,能量的利用率可达93.1%,照明区域的辐照度均匀性可达99.1%,较拓扑方形的设计方法,能量利用率提高了2.11倍;在离轴、目标面不倾斜的照明系统中,能量的利用率可达93.7%,目标面的辐照度均匀性可达99.5%,能量利用率提高了1.95倍;通过三维模型的构建使得目标面照明区域和光源出射能量之间的划分更加精细,实现高均匀性的照明系统设计。3、通过分析实际需求设计积分球光源,并提出了一种适用于扩展光源的自由曲面设计方法,通过对点光源的设计结果进行优化,使得自由曲面反射镜更加适用于在轨星上定标光源,获得了100mm×100mm范围内辐照度均匀性为98.8%,辐亮度均匀性为98.6%的大面积定标光源,在目标面前后25mm内辐照度均匀性在97.7%以上,通过分析可知,所设计的自由曲面反射镜符合该定标光源的需求,结果表明该方法可适用于在轨星上定标的太阳反射谱段光源。