过去数十年的系外行星大发现使我们获得了大量的行星样本，从超级地球到热木星，从密集的多行星系统到巨大的、自发光的年轻行星，以及最近在邻近的低质量恒星周围发现了潜在的宜居行星。系外行星系统不断呈现出与我们的太阳系既相似又陌生的条件。目前，系外行星科学正处于一场前所未有的变革前的黎明：不仅仅满足于单纯的系外行星探测，系外行星科学正从“研究行星的动力学特征”向“对行星进行精确的天体物理、化学、气候、生物刻画”的方向发展。

目前的系外行星光谱表征工作主要是基于系外行星大气的透射光谱观测。观测目标集中在质量较大的凌星状态下的气态巨行星。然而，透射光谱观测有限的观测范围、信噪比以及行星大气中云和其他大气参数带来的参数简并问题对系外行星表征的可靠性和准确性带来了巨大的挑战。这一挑战可能会随着JWST的宽波段覆盖和高信噪比数据而得到一定程度的减轻，但是JWST对行星大气状态的估计仍将是不精确的，仍将需要结合其它观测手段交叉验证、联合反演，以实现系外行星性质全面而精确的表征。

在这一大目标的背景下，本文着眼于未来10-20年的观测能力，系统探讨了基于多种观测技术和理论模型实现系外行星精确表征的可行性。首先，第二章探讨了通过直接成像反射光谱进行小质量行星精确表征的可行性，这是因为直接成像技术是目前最有希望观测到类地行星大气及地表的技术，因此有必要探讨系外行星直接成像反射光谱反演中可能存在的参数简并问题并给出可能的科学产出。借鉴目前最为成熟的系外行星透射光谱表征中所使用的数据驱动的大气反演算法，本文建立了基于直接成像反射光谱的类地行星大气反演框架，系统探讨了在反射光谱反演中影响反演精度的行星大气参数之间的简并问题，并给出了解决方案。通过反射光谱反演框架，我们实现了对系外类地行星的大气丰度、云的部分光学性质、以及地表反照率等参数的有效限制。

然而，在流量光谱波段覆盖以及信噪比有限的情况下，反射光谱反演并不能完全解决行星大气参数间的简并情况，从而给行星大气性质的表征带来不确定性。而系外行星的偏振观测提供了一种完全独立且有效反映行星大气性质的观测手段，因此有希望从不同的角度反映行星自身的性质，从而打破行星大气性质之间的参数简并情况。本文第三章探讨了使用热辐射偏振技术表征系外行星大气的可行性。通过理论模型和数学分析确定了影响行星大气热辐射偏振的四个基本参数，并建立了估算行星空间分辨偏振度的简单模型。另外本文给出了通过热辐射偏振光谱反演行星大气云颗粒大小以及大气温度结构的理论方案。最后，我们给出了系外行星大气圆盘积分热辐射偏振信号的参数化方案，并评估了使用现今的观测设备探测褐矮星以及热木星的热辐射偏振的可行性。

评估行星的宜居性、探测系外生命是系外行星科学，也是天体生物学的终极目标。探测系外生命首先要进行类地行星生物特征搜寻。近些年来，植被光谱红边（Vegetation Red Edge,VRE）作为一种直接的系外行星表面生命信号得到天体生物学家的深度关注及广泛研究。本文的第四章回到反射光谱，着重探讨了使用时序观测探测系外类地行星表面生物特征的可行性。在这一部分我建立了系外行星“光谱红边”时序探测模型。通过该理论模型和望远镜模拟观测评估了系外行星植被光谱红边的可探测性，并进一步通过VRE时变特征恢复了类地行星的大陆分布。最后，着眼于未来的系外类地行星生命探测，本文对此类表面生命特征的观测提出了设备参数要求和有效观测策略。