谱图还原算法是中阶梯光栅光谱仪高分辨的保障，其精度和速度的优化是推动仪器发展的关键。提出一种基于全像面拟合的谱图还原算法，将光谱标定融入到建模过程中的方式同时解决了环境改变和仪器扰动对模型精度的影响问题。首先建立初始模型，利用光线追迹结果进行全像面拟合，获得标准模型。再利用Hg-Ar灯的特征谱线对标准模型进行二次拟合以修正偏差，从而完成光谱标定。最后采用多种元素灯的特征谱线对所提建模方法的精度进行验证。实验结果表明，所建立的谱图还原模型的全像面误差在2 pixel内，全波段波长平均提取误差为0.01 nm。所提方法将建模过程与标定技术相结合，使标定常态化，简化了建模流程，为中阶梯光栅光谱仪的应用推广提供了算法基础。

中阶梯光栅光谱仪凭借高光谱分辨率在各领域应用日益广泛，已经成为主要的光谱分析仪器之一。谱图还原技术是中阶梯光栅光谱仪数据处理的核心，通过建立波长和成像位置间的对应关系实现二维图像到一维谱图的快速还原。谱图还原的精度直接决定了中阶梯光栅光谱仪的性能，是仪器开发的重点和难点。鉴于此，本文综述谱图还原技术的发展，将其演变过程归纳为光线追迹、模型化和标定法等3个阶段，重点介绍各阶段谱图还原算法的核心思路与代表方法的原理。最后针对中阶梯光栅光谱仪谱图还原技术，归纳其发展历程、预测其发展趋势、展望其发展方向。

塑料因其可塑性与低成本在日常生活与工业中被广泛使用，然而这也带来环境污染与资源浪费等问题，因此塑料分类成为重要研究课题。为验证高光谱成像技术在塑料分类中的可行性，采用近红外高光谱成像技术（NIR-HSI），比较了1100~1650 nm波段数据在9种常见塑料分类中的效果。涵盖K邻近法（K-NN）、支持向量机（SVM）、粒子群算法训练的SVM（PSO-SVM）、遗传算法优化的SVM（GA-SVM）等机器学习方法。通过验证数据筛选模型准确率后，将其应用于高光谱图像，通过可视化分类对比原始图像评估模型效果。结果显示，基于欧氏距离、余弦相似度的K-NN和GA-SVM分类效果最佳，验证数据的精度分别达到96.14%、96.21%和98.67%，在可视化分类上也呈现出良好效果。高光谱成像技术在塑料分选中具有很高的应用价值，只需获取特定塑料的光谱数据并进行适当处理，即可对不同颜色、形状、工艺的同类塑料制品进行有效区分。

高光谱成像技术在物证检验领域的应用具有非常重要的意义, 其不仅能够记录物证的光谱特征用以分析物质成分, 而且能够准确记录不同成分的空间分布情况, 从而实现无损、 快速、 定位分析物证成分的功能。 高光谱成像物证检验技术的光谱检测范围通常集中在可见-近红外区域, 而现有基于高光谱成像技术的物证检测设备基本只能单独覆盖可见波段或者近红外波段, 无法实现可见-近红外的宽波段检测需求。 为了拓宽成像光谱仪的检测波段范围从而实现提高物证检验精度和增加物证检验种类的目的, 首先分析了推扫式成像光谱仪的组成结构及工作原理, 剖析了直接研制宽波段成像光谱仪的技术难度和高昂成本, 最后提出了将短波段范围的400～1 000 nm可见高光谱成像仪和900～1 700 nm近红外高光谱成像仪相结合的方式实现宽波段范围的方法。 通过2台高光谱成像设备线视场匹配将独立的2台设备联合作为1台设备使用, 采用定标板辅助装调的方法实现2台高光谱成像仪线视场的像素级拼接, 将设备拼接带来的误差降低到不影响输出结果的程度, 最终研制出一种波段范围可达400～1 700 nm的可见-近红外宽波段高光谱物证检测设备。 搭建实验系统, 分别固定2台独立的短波段范围高光谱成像光谱仪, 利用平移台带动检材沿着垂直于线视场的方向移动实现推扫, 所获取的数据立方体具有400～1 700 nm的宽光谱范围, 400～1 000 nm的光谱分辨率为2.5 nm, 1 000～1 700 nm的光谱分辨率为4 nm。 实验结果表明该方法的可行性, 对于宽波段高光谱成像仪的研制具有指导意义, 使高光谱成像仪在物证检验领域具有更高的应用价值和更广的应用范围。

作为对天文光谱进行观测的仪器, 成像光谱仪有着十分重要的作用。 由于传统的狭缝型成像光谱仪的狭缝限制, 对面源天体的观测需多次扫面, 才能获得完整的面源三维数据立方体(x, y; λ), 这样将会浪费大量的观测时间。 为了实现目标物体三维数据立方体的快速扫描, 提出了一种基于微透镜阵列的无狭缝、 静态化、 快速高效的可见光到近红外波段积分视场成像光谱仪结构, 并对其基本工作原理进行分析。 为了扩展微透镜阵列积分视场成像光谱仪在医学、 农业、 物探等其他领域的应用潜能, 该研究的光谱波段选择可见光到近红外波段。 根据视场积分的工作原理, 分析和设计了像方远心结构的离轴三反前置成像系统。 系统采用视场离轴方式, 波段范围400～900 nm, 相对口径F/5, 主镜、 次镜和三镜皆为二次非球面, 二次非球面系数分别为: -7.05, -0.92和-1.61。 为减小系统体积, 在离轴三反系统的焦平面附近放置反射镜。 系统在奈奎斯特空间频率60 lp·mm-1处, 调制传递函数大于0.75, 成像质量接近衍射极限, 满足系统要求。

为了保证中阶梯光栅光谱仪能够具有足够的波段范围, 设计了一套校正装置,对该校正装置的校正原理、波段校正范围、校正分辨率等问题进行了讨论和研究。首先, 对中阶梯光栅光谱仪的光学元件进行了公差分析, 并介绍了自动光谱校正的原理和流程。选定聚焦镜作为调整环节并根据CCD接收器像面的利用情况给出了调整分辨率要求, 然后设计了校正装置, 并对校正装置的分辨率进行了理论计算。最后, 对校正装置的校正效果进行了实验验证。实验结果表明: 校正装置在方位方向的校正分辨率可达0.006 25°、俯仰方向的分辨率可达0.006 25°、前后方向的分辨率可达0.005 mm。校正装置可以将10像素的波段偏移调整回CCD正常接收范围内, 从而保证光谱仪器的全谱段波段范围。

中阶梯光栅光谱仪凭借交叉色散特性实现全谱瞬态直读, 面阵探测器接收的二维光谱图像需要还原成一维谱图以提取有效波长。 由于二维谱图含有庞大的数据, 且有效信息仅占极小比例, 因此在谱图还原前进行背景去除能够减小数据量、 提高运算速度。 详细分析了中阶梯光栅光谱仪二维图像的特点, 并针对其特点提出了背景去除算法。 将图像边缘检测方法应用于弥散光斑的检测中, 选择合适的边缘检测算子与原始图像卷积得到边缘图像, 设置边缘图像的全局阈值对其进行二值分割, 最终利用二值边缘图像映射原始图像得到去除背景的二维谱图。 依据不同元素灯在不同积分时间下所拍摄的谱图, 对比不同边缘检测算法的背景去除效果, 分析了各算子对算法速度、 精度的影响。 实验结果表明本文提出的算法运算简单、 边缘图像阈值易于计算、 目标提取精度高, 处理后的图像可以与谱图还原算法有效对接, 谱图处理速度显著提升。

为了提高中阶梯光栅光谱仪光谱定标的效率和精度，基于谱图还原算法，提出了利用汞灯多条特征谱线联合定标的思想，设计了中阶梯光栅光谱仪的在线定标算法。以汞灯为定标光源进行光谱定标实验，结果表明该算法在谱图偏差不超过限定范围时可以自动修正谱图还原模型，选择的定标波长越多、分布越均匀，定标精度越高。对于250~600 nm波段内的中阶梯光栅光谱仪，选择5个以上的定标波长可以使定标精度达到仪器理论分辨率0.01 nm。该方法实现了中阶梯光栅光谱仪的自动化光谱定标，使光谱仪在保证高光谱分辨率的前提下更具实用性，具有工程应用价值。

中阶梯光栅光谱仪通过交叉色散形成的二维光谱图,无法直接对入射光的波长进行光谱标定。为此，建立了C-T型棱镜透射式中阶梯光栅光谱仪的谱图还原模型，分别分析了棱镜和光栅色散方向的色散规律以及棱镜与光栅之间的相互作用关系，并且建立了波长与像面坐标的关系表达式。根据该类中阶梯光栅光谱仪的光路结构特点，以及光束在各个光学元件的传输特性，校正各光学元件引入的坐标计算误差，最终精确计算出波长所对应的像面坐标,完成谱图还原模型的建立。通过该方法建立的模型可快速准确地对该类型中阶梯光栅光谱仪二维谱图进行谱图还原及波长标定，模型的计算误差小于一个像元。

复制拼接是天文领域目前制作大面积平面衍射光栅的重要方法之一。光栅复制拼接需要相应的拼接系统，从成本控制和光栅研制周期角度考虑，一套常规拼接系统应适用于不同参数光栅及不同检测波长的拼接，并且系统拼接精度必须满足光栅拼接要求。根据夫琅禾费远场衍射原理，建立双光栅拼接系统的五维误差理论模型，分析了入射光波长、衍射级次、光栅常数、入射角等参数改变时的拼接误差及其变化趋势，并根据实际拼接需求给出了上述参数的变化范围。计算得到了当光栅参数及检测条件变化时能够满足使用要求的拼接误差精度指标。所得出的拼接误差变化趋势及拼接精度指标对于设计复制光栅拼接系统具有指导意义。