高光谱遥感能够提供丰富的地球表面信息, 因而受国内外学者的广泛关注。 受到技术与工艺水平影响, 目前单个高光谱相机无法同时满足成像大视场和高分辨率的应用需求。 拼接式高光谱相机技术将多个高光谱相机组合成一个成像系统, 有效地扩大了高光谱相机的视场, 在精准农业、 对地观测、 环境监测等方面有着广泛的运用。 由于探测器像元响应, 光学系统, 电子学系统等因素的影响, 高光谱相机的焦平面阵列在同一均匀辐射源下, 探测器单个像元输出会出现不一致的现象, 该现象即为高光谱相机的非均匀性。 拼接式高光谱相机的非均匀性会严重影响相机成像质量与图像判读。 目前, 非均匀性校正主要分为基于定标的校正方法和基于场景的校正方法两大类。 通过对中国科学院空天信息创新研究院研制的拼接式高光谱相机非均匀性的分析, 建立了单台相机和多台相机间的非均匀性模型, 并根据非均匀性模型提出了一种基于重叠视场的拼接式高光谱相机非均匀性校正方法。 该方法综合运用了实验室定标数据与实时飞行数据, 利用实验室辐射定标校正单台相机非均匀性, 利用相机间重叠视场并引入小波滤波计算非均匀性系数校正多相机间的非均匀性。 由于该方法在实验室仅需要对单台相机进行辐射定标, 因此也摆脱了需要大口径积分球光源的限制。 开展了一系列对不同方法处理后图像质量进行评价的实验。 选取了存在非均匀性两个不同的波段图像作为原始图像, 并用该方法与对比方法对原始图像进行处理。 为了能够定量地对不同方法的校正效果进行对比, 引入了图像质量的提高系数(IF), 非均匀性(NU)与光谱角(SA)三个评价指标。 结果证明, 本文提出的基于重叠视场的拼接式高光谱相机非均匀性校正方法具有最好的非均匀性校正效果, 同时最大程度保留了光谱特性。

超表面是一种人工制造的亚波长结构阵列平面, 重量轻, 易集成, 可实现多种功能, 被广泛应用于诸多领域。 传统光谱成像系统依赖于色散元件及光程累积相位差实现不同波长的色散与聚焦, 无法满足系统集成化需求。 不同于传统光学元件依赖电磁波在介质中传播累积相位差, 超表面依靠界面相位变化来进行相位调控, 可实现十分轻薄的光学系统。 研究传输相位型超表面, 使用时域有限差分算法(FDTD算法)优化单元结构。 将超表面引入光谱成像系统中, 通过优化亚波长结构尺寸, 进行结构排布, 开展超表面光谱成像系统研究, 实现多波长色散与聚焦独立调控。 利用该方法, 扫描不同单元结构参数对相位的影响, 依照聚焦的相位分布针对不同波长设计对应的位相分布, 仿真实现了一个波段范围为510~720 nm, 焦距为2 mm, 谱段数为八个的超表面多光谱成像系统。 通过电磁仿真软件FDTD solutions和数据处理软件计算全模结构电场的远场分布, 并分析了系统的成像性能。 相比于传统光栅或棱镜分光结构, 超表面光谱成像系统可有效减小系统体积, 其超轻、 超薄、 便携特点解决了现有光谱成像系统的应用局限性, 为小型化、 轻量化光谱成像系统的研制提供了一种新的解决方案。

基于曲面棱镜的光谱成像技术是近几年该领域研究的热点,但曲面棱镜前后球面的非共轴特性使得曲面棱镜的装调难度远大于传统共轴光学系统。装调误差是影响成像系统最终成像质量的重要因素,目前曲面棱镜高光谱成像仪的公差分配方法大多以系统调制传递函数(MTF)为评价指标,未考虑装调误差对谱线弯曲、色畸变的影响。利用几何光学方法研究了曲面棱镜谱线弯曲、色畸变的产生机理,构建了曲面棱镜光谱仪谱线弯曲、色畸变与曲面棱镜装调误差关系的数学模型,分析了曲面棱镜装调误差对高光谱成像仪光谱畸变的影响。通过几何光线追迹,对曲面棱镜装调误差的分析结果进行了验证。结果表明,谱线弯曲、色畸变和MTF对曲面棱镜装调误差的敏感程度存在显著差异。为了保证曲面棱镜装调误差引起的系统MTF下降容限在设计值的10%以内,进行了二次公差分配以得到最终公差分配结果,其中公差极限值最小的单项装调公差为X轴方向的倾斜误差,为实际系统的装调提供了参考。

为满足航空航天载荷宽谱段、小型化的探测需求,提出一种双通道曲面棱镜高光谱成像系统的设计方法,实现单台光谱成像仪可同时覆盖可见光和短波红外两个波段。可见光和短波红外两个通道共用一个离轴三反前置成像系统和部分光谱系统,通过在像面前放置的分色片进行分光,使得可见光由分色片全部反射,短波红外由分色片全部透射,反射光和透射光分别被不同的探测器接收。根据此方法设计了谱段范围为420~2500 nm的双通道光谱成像系统。结果表明,该系统结构简单,光学成像性能良好,光学总长度小于350 mm。与传统的宽谱段光谱成像方法相比,该方法可以满足系统的小型化和低成本需求,适用于航空航天遥感应用。

结合基于位置姿态测量系统的目标动态追踪补偿校正和非等间隔快速傅里叶变换谱提取, 提出一种机载遥感的高准确度校正方法.该方法通过位置姿态组合系统在承载平台稳定性较差的成像条件下进行实时姿态测量、主动校正、反馈补偿获取干涉图, 再对校正后的干涉图进行空间变换和非均匀性谱提取, 获得融合图像和目标光谱曲线.机载飞行实验表明：多谱段伪彩色融合图像效果良好, 光谱反演准确度与传统校正方法相比有大幅提升.基于该方法的位置组合测量系统具有良好的机载环境适应性, 可应用于稳定性较差的平台以及非干涉型原理的光谱成像探测系统, 为机载高光谱图像运动误差一体化处理平台的研究提供了一条新途径.

干涉图滤波是干涉光谱成像仪光谱反演过程中的一个关键环节，常用的滤波方法主要是差分法和拟合法。差分法对背景噪声不能完全去除；拟合法则需要先验知识，而且在干涉数据两端拟合误差较大。经验模态分解（EMD）方法是近年来提出的一种新的用于线性和稳态谱分析信号处理方法，该方法提出后在很多领域得到广泛应用。将EMD方法应用到干涉图的滤波过程中，使得对背景噪声的提取更为合理，而且具有自适应性，避免了常用滤波方法的不足。利用实验室实际获取的数据进行分析，可以看出：EMD滤波后空间维的光谱相对均方根误差(RQE)均值为0.0068，精度最高；其次为拟合法，RQE均值为0.0073；最后为差分法，RQE均值为0.0079。

从断裂力学的角度进行分析，在考察断裂强度的基础上，对机载多光谱相机光学窗口的厚度进行了详细的设计。相关分析解决了光学窗口厚度的工程设计问题，使光学窗口的设计更加合理可靠。同时，结合窗口工作环境，利用有限元方法计算其稳态温度场分布，再结合分析结果中的温度载荷和相关的广义力载荷，计算光学窗口在力热耦合情况下玻璃表面的变形。利用Zernike多项式对最终变形值进行拟合，得到变形后的光学窗口面形，输入到Zemax软件中，以波像差和调制传递函数(MTF)作为光学系统成像质量评价指标，分析了在这种工作环境下光学窗口变形对多光谱相机光学性能的影响。结果表明，在已知的环境条件下，窗口变形对系统成像质量的影响可以忽略。

高光谱图像数据由星上压缩打包至地面, 再对其进行处理, 这种处理方式对实时应用场合显得过于迟缓。 同时, 图像数据量大, 处理步骤多, 反演算法复杂, 因此, 迫切需要搭建精确快速的数据处理平台来进行实时处理, 目前, 用硬件进行实时复原和进行误差校正的平台比较少, 能够成功应用的平台也由于处理速度不高, 精度不够, 灵活性差, 不能升级和配置等缺点, 也会直接影响到目标探测和识别的效果。 本系统以空间调制型光谱仪下传数据作为研究目标, 设计并实现了一种基于Xilinx Virtex-5 FPGA的数据处理平台, 通过可配置的、 高精度、 接口灵活的IP软核资源, 实现了光谱数据处理的关键环节, 并给出相关试验验证, 为光谱仪图像反演及误差校正探索了一种新途径。

大孔径静态干涉成像光谱技术是一种时空联合调制的傅里叶变换成像光谱技术, 其核心元件通常采用Sagnac横向剪切干涉仪。 这种结构会使进入干涉仪的光线有一半沿原路返回, 降低了能量利用率。 文章提出一种改进型Mach-Zehnder横向剪切干涉仪结构, 克服了能量利用率低的缺点, 在实现横向剪切的同时, 还具有双通道输出的优点。 本文通过光线追迹的方法, 得到剪切量的一般表达式, 并分析了各种误差源对剪切量误差的贡献。 为大孔径静态干涉成像光谱仪的设计提供了新思路, 可为该类型的成像光谱仪的设计与优化提供理论指导。

信噪比(SNR)是评价多光谱遥感成像性能的重要指标，在设计多光谱遥感成像仪的最初阶段应进行分析，从而确定各分系统相关参数。多光谱遥感系统的成像链模型综合考虑辐射源、地物光谱反射、大气辐射传输、光学系统成像、分光元件特性、探测器光谱响应和相机噪声等各个环节，可用于进行成像过程端对端的完整分析。以基于滤光片阵列的多光谱遥感系统为例，采用MODTRAN软件进行大气辐射传输计算，对不同太阳天顶角下，不同目标地物计算像面的照度，根据电荷耦合器件探测器的噪声模型，计算出不同工作条件下多光谱遥感系统的SNR。通过对SNR的分析，可给出该类型多光谱遥感系统获得最佳性能的工作条件，并能够结合使用要求进行光学系统参数的优化选择。