地球辐射收支（Earth’s Radiation Budget）是全球气候观测系统规定的基本气候变量之一,反映了地球气候系统接收净辐射能量的平衡状况,直接影响全球气候变化,对其进行长期连续监测可帮助我们研究全球气候变化的趋势和规律,为全球气候治理和可持续发展提供科学依据。当前已有多种载荷用于地球辐射收支测量,其中包括美国的CERES、欧洲的GERB、比利时的SIMBA以及我国的ERM等地球辐射收支观测仪器。国外辐射测量载荷发展呈现多样化趋势,包括极轨窄视场扫描式辐射计CERES、静止轨道扫描辐射计GERB和宽视场辐射计非扫描辐射计SIMBA,不同类型的仪器为地球辐射收支研究提供了不同空间分辨率、时间分辨率的地球辐射数据产品。然而,国内目前只有ERM仪器进行地球辐射测量,地球辐射观测仪器的多样性不足。因此需要研制其他类型的地球辐射观测仪器,提供多样化的地球辐射数据产品。针对这一需求,本文设计并实现了一种地球辐射收支测量仪器——空间相对辐射计,该仪器能够同时对太阳辐射和地球辐射进行观测,为地球辐射收支测量提供新途径。本文主要创新性工作如下:1、通过分析被观测目标的黑体辐射特性、辐射能量传播以及辐射热信号转换过程,确定了辐射探测器的结构模型。基于该结构模型,利用辐射网络法建立了限制视场条件下的空间相对辐射计测量模型。与原有稳态测量模型相比,该模型提高了动态响应,并补偿了自身背景辐射,适用于对日通道和对地通道的测量过程。2、通过分析空间相对辐射计对日和对地通道的入射辐射能量,针对不同观测场景,研究了基于抛物反光罩的平面辐射探测器吸收率增强方法,设计了消杂光光阑和消光螺纹光阑,解决了对日通道和对地通道的杂散辐射问题,仿真验证了对日和对地通道抑制能力分别为2.6306E-5和2.75E-3。基于傅里叶传热方程设计了平面型辐射探测器热学结构,通过有限元仿真,在太阳辐射输入条件下,稳态时探测器温度梯度约为2K。针对温度梯度测量,建立了改进斯坦哈特-哈特模型,与原有模型相比降低了约0.1K的偏置误差。针对辐射测量中的μV级信号的测量需求,研究了弱信号的高精度测量方法,设计了基于方波锁相放大技术的前置放大系统,和基于电压频率转换器的多通道数数据采集系统,抑制电路中的1/f噪声,最终实现了19.9bit的模数转换分辨率,保证了仪器的灵敏度。并通过黑漆吸衰减监测与修正,软件关键变量三选二,硬件钽片防护,以及抗力学设计与有限元仿真验证,实现空间环境适应性设计,保障仪器在轨运行可靠性。3、基于仪器对日通道与SIAR绝对辐射计在轨同时观测的特点,结合空间相对辐射计仪器空气与真空中比对试验结果的单向兼容性,设计了基于绝对辐射计比对的空间相对辐射计对日通道的在轨定标方案,并提出了基于基准辐射计比对的地面比对验证方法。通过地面验证试验,获得了定标后的空间相对辐射计对日通道1s和2min的地表太阳辐照度数据产品,观测相对误差优于0.312%,验证了空间相对辐射计对日通道的性能,证明了在轨比对定标方案的合理性;研究并设计了基于面源黑体的对地通道真空定标方案,试验验证了定标后的空间相对辐射计对地通道对黑体出射辐射的观测相对误差优于1.2%。通过试验结果可知,对日通道与对地通道指标满足仪器指标需求。