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。

我国首次火星全球遥感与区域巡视探测任务已获批立项, 首个火星探测器也即将前往火星。 为满足火星物质成分分析的需求, 我国研制了不同类型的火星物质成分分析仪器, 其中包括火星表面成分探测仪（MarsCoDe）, 应用了激光诱导击穿光谱技术（laser-induced breakdown spectroscopy, LIBS）。 火星表面覆盖尘埃, 探测仪器想要准确获取火星尘埃之下的物质成分, 必须剥去尘埃或者进行破坏从而深入岩层取样。 LIBS可以用激光烧蚀待测物体表面, 获得深部物质光谱信息, 在火星表面探测中具有其他仪器无法取代的优势。 LIBS在火星探测中几乎适用于探测每一个元素, 包括轻元素H, Li, Be, B, C, N, O等, 帮助寻找有机物和含水地质过程的证据。 由于LIBS在火星环境工作, 等离子体的物理性质与地球上完全不同。 为了确保火星车载LIBS返回数据的光谱质量, 需要对LIBS在着陆后开展在轨定标。 借助火星车的携带在轨定标样品, 对探测数据进行在轨定标, 确保返回数据的可靠性。 定标样品的选择是一项十分重要的工作, 存在仪器工程条件限制、 定标样品类型的代表性、 元素成分分布范围、 样品稳定性等多种考虑因素, 需满足科学任务的同时达到加工工艺要求。 总结了国外已有的火星车载LIBS在轨定标的研究进展, 重点分析了LIBS在轨定标样品选择依据、 国外选择样品的优缺点, 并总结经验提出了几点建议, 为我国在轨定标工作提供参考。 对火星探测数据的正确解译, 对未来研究火星的起源、 火星的长期地质演变过程等具有重要的科学意义。

介绍了火星探测的进展及火星相机的科学目标，分析了空间相机及火星相机的特点，展现了课题组经过数年研究在火星相机工程样机的研制过程中取得的成果。研究内容包括：火星表面物质的光谱特性、火星探测光学遥感器的谱段设置、近火弧段星下点光照条件分析、近火点太阳高度角随时间变化规律、火星表面高程的直方图分布特性分析、考虑火星表面高程因素速高比误差造成的像移、火星相机工程样机研制、火星相机工程样机外景成像试验等。总结了过去的工作，为将来进一步研制火星相机打下基础。所研制的火星相机适用于在环火轨道对火星表面的观测成像。

为了实现火星探测中巡视器以及着陆器上人工标志的识别定位, 结合好奇号火星车的人工标志特征和火星环境的特点, 提出一种人工标志两步识别定位方法。第一步是在图像中识别人工标志并进行初步定位。该步骤通过图像边缘检测, 提取并跟踪各轮廓边界。针对人工标志存在的沙尘附着、光照不均、以及阴影遮挡等问题, 提出一种基于火星环境的自适应边缘检测方法。采用最小二乘椭圆拟合方法对每一个轮廓边界进行椭圆拟合, 将拟合所得的椭圆参数作为标志的初步定位结果。第二步是对各人工标志进行精确定位。根据初步定位的椭圆参数进行图像分割。考虑标志中心为两条直线的交点, 故采用Hough变换对各分割出的图像块进行直线检测, 并对交点进行重定位, 从而得到人工标志的精确位置。对好奇号火星车的标志图像进行了试验, 结果表明: 提出的方法能够检测存在较大变形的人工标志, 对标志中心的定位精度稳定在1个像素以内。该对沙尘附着、光照以及阴影遮挡具有一定的鲁棒性, 基本满足火星探测中人工标志定位的精度和鲁棒性要求。

介绍了近些年来国际上几个主要的火星探测遥感相机，包括美国的火星观测相机(Mars Observer Camera,MOC)、高分辨率科学成相试验相机(High Resolution Science Imaging Experiment,HiRISE)，以及欧空局的High Resolution Stereo Camera(HRSC)的发展概况、主要技术指标和技术特点，指出遥感器应具备近红外成像和三维立体成像功能，开展亚米级分辨率精细观测是今后火星遥感探测的主要发展趋势。本文还探讨了不同目标观测对成像分辨率的要求。通过对发展现状的调研和科学需求的分析，为我国今后开展火星可见光遥感观测提供了指标选择和设计的依据。

面向火星探测, 设计并研制了一种基于声光可调谐滤波器(AOTF)原理的成像光谱仪地面原理样机。该样机由前置光机系统和后置电子学系统组成, 光学系统采用消色差远心光路结构, 工作波段为550~1 000 nm, 光谱分辨率为0.9~4.0 nm。在电子学系统中引入可编程片上系统技术, 并设计了新型SpaceWire高速总线接口用于数据传输。样机在实验室定标的基础上, 搭载于模拟火星探测器上进行了成像试验。试验结果表明: 样机成像质量良好; 与ASD光谱仪的一致性对比检验表明, 光谱测量准确可靠, 两者数据匹配精度超过96%。SpaceWire接口实现了100 Mb/s数据率的稳定传输, 满足设计指标25 Mb/s的要求。样机的研制为AOTF成像光谱技术在火星遥感探测领域的应用奠定了技术基础。