光谱成像仪可以精准探测月球表面物质成分与温度及其变化特性，成为新时期月球科学探测任务中重点配置的科学载荷，为进一步认知月球起源与演化历史、资源分布与环境特性提供科学数据。现有月球环绕探测光谱成像数据为人类认知月球表面物质组成、资源分布及演化历史等提供了科学参考，但面向月球资源与环境开发与应用的勘查存在空间分辨率较低且红外谱段偏少的问题。概述了国内外月球探测任务中的典型光谱成像载荷与研究热点；针对月球光谱的精准探测需求，对所面临的具体技术难题进行了讨论；就如何突破现有技术挑战，获取更高分辨率、更高灵敏度、更可信的光谱科学数据提出了针对性的具体解决思路与技术途径；最后，对面向月球环绕探测的光谱成像的发展趋势、挑战与应用进行了总结与展望。

光谱仪器获取目标光谱信息或光谱图像，具备物质成分无损识别和定量反演能力，已成为国内外月球和火星探测任务重点配置的科学载荷，为表面物质成分及矿产资源、形成与演化历史及资源利用等研究提供重要依据。本文简要介绍了近年来国内外月球及火星探测任务中光谱技术的研究进展与应用现状，概述了中国探月工程及天问一号探测任务中七台光谱仪器及其应用状况，进一步介绍了月球及火星光谱探测的典型应用成果。最后，对光谱技术在月球及深空探测领域的应用前景和发展趋势进行了展望和探讨。

中国在庞大的人口基数下拥有丰富的遗传资源, 这些资源可能被国外非法掠夺以获取利益, 非法掠夺的过程揭示可能存在一些安全隐患, 例如传染疾病的扩散等。 如何加强对中国公民遗传资源的保护, 促进国际间正常合法的信息共享和科研合作已成为生物安全的新问题。 为加强人体细胞及其制品等特殊生物物品出入境管理, 防止遗传资源流失和有害物品传入, 促进各个国家间医学科学研究及国际交流与合作, 提出一种非侵入、 快速安全的细胞光谱鉴别技术。 简述了细胞超连续光谱的物理化学机制, 讨论了细胞浓度对超连续光谱的影响, 实现了无损伤、 非侵入式探测提取生物细胞超连续特征光谱。 实验发现细胞超连续特征光谱主要集中在500~700 nm的可见区域。 实验中的细胞样本均为单独培养, 因此各个样本间互不影响, 不存在平行样本的问题; 实验对象为293T细胞、 HCC827细胞以及HT29细胞, 3类细胞的培养基均为PBS溶液, 每类细胞拥有3种浓度（5×105, 5×106和5×107 cells·mL-1）且每种浓度下独立培养3个样本, 一共获取27个独立细胞样本。 实验测试了24个细胞样本的超连续光谱并以此建立预测模型, 另有3个样本作为未知样本进行模型预判。 使用主成分分析法对测试样本的原始数据进行降维和聚类, 并对降维后的数据通过支持向量机回归法进行分类; 训练集的均方根误差RMSE=0.097 2, R2=0.995 1, 验证集的均方根误差为RMSE=0.097 2, R2=0.931 4。 研究发现细胞浓度影响超连续特征光谱的提取, 在建立模型时, 考虑到该技术应用的普适性以及实验样本浓度参数有限, 未考虑细胞浓度对预判模型识别率的影响。 后期若以某一浓度阈值作为细胞检测的浓度起点, 该模型的识别率将会更准确、 科学。 在可控的实验条件下, 超连续光谱可以应用于生物细胞无损伤、 非侵入式的鉴别。

目标散射光至单模光纤的高效耦合是光纤相干探测激光雷达系统研制的关键技术。为获得尽可能高的单模光纤耦合效率, 首先分析了Zernike初级像差对单模光纤耦合效率的影响, 在此基础上针对收发共光路单模光纤耦合光学系统在真空中使用的需求设计了带有真空补偿镜的耦合光学系统, 实测耦合效率为55.9%。最后对耦合系统在不同温度下的耦合效率进行了测试, 在(20.4±2)℃的温度范围内耦合效率最低为45.7%, 并通过基于角锥棱镜的焦面位置等效验证方案验证了真空状态下的耦合效率与地面测试状态下的耦合效率一致。

探月工程三期项目将完成“绕、 落、 回”三个阶段中的采样返回任务, 将在未来发射嫦娥五号（CE-5）探测器, 执行月面着陆、 采样并返回地球的任务。 嫦娥五号月球矿物光谱分析仪（LMS）是探月工程三期重要的数据来源, 通过LMS光谱数据分析识别月球表面物质的矿物组成, 包括含水矿物, 同时有助于判断岩石类型, 辅助地层学分析。 为月球的形成过程、 月球地质演变及岩石-水交互作用的研究提供数据支撑。 相比于嫦娥三号红外成像光谱仪, LMS将光谱范围从450～2 400 nm扩展到了480～3 200 nm, 除了能探测月球表面主要矿物辉石、 橄榄石等, 还可以探测3 000 nm附近的羟基吸收峰特征, 为月球表面是否存在“水”提供强有力的证据。 此外, 嫦娥五号月面工作任务将获取月表以下物质, LMS可以对月表采样前后的采样区域进行光谱探测, 比较不同深度、 不同风化程度下的月壤光谱特征, 且与后期返回样品的实验室光谱对比分析。 为保证LMS月面数据的可靠性, 在探测器发射之前开展了LMS地面验证试验, 采用多种矿物及矿物混合样品, 在不同试验环境下获取LMS的探测数据, 分析研究LMS的矿物成分探测能力, 并结合标准比对仪器光谱进行光谱质量分析。 计算了所有实验样品的光谱不确定度参数。 除了具有低反射率的钛铁矿外, 所有样品都具有高质量的光谱数据。 同时, 在相同条件下, LMS光谱特征与标准比对仪器得到的光谱数据相一致, 表明LMS整体数据质量高。

为降低成像光谱仪对工作平台体积质量的需求, 优化光路布局, 提高系统的热适应性, 阐述了一种紧凑型红外成像光谱仪的光学系统设计。考虑结构尺寸和像差平衡, 光学设计中引入了扩展多项式面型。系统光谱范围为1~3.4 μm, F/数为2.86, 光谱采样间隔为7.5 nm。光学系统由一个自由曲面三反射镜望远镜和一个基于平面光栅的自由曲面光谱仪组成。望远镜准远心设计, 与后方远心光谱仪光瞳匹配, 无畸变且像方空间便于其他结构模块布局。光谱仪像质优良, 光谱畸变校正良好, 像面倾斜得到改善便于探测器布局。从光栅衍射效率设计、杂散光抑制和光机一体化集成镜件设计三方面对该系统作了分析, 结果表明系统具有工程可行性。