碳卫星超光谱探测仪聚焦于陆地生态系统植被碳汇和森林蓄积量探测， 利用670~780 nm谱段的光谱绘制植被荧光的时空分布规律， 满足全球碳汇定量监测、 森林植被生产力评估的需求。 如何有效地标定超光谱探测仪的光谱参数， 建立探测仪和被测光谱信息的对应关系是定量化反演的基础。 通过光栅方程推导了超光谱探测仪的光谱数据误差模型， 并结合光学系统的弥散斑分布函数， 卷积得到了超光谱探测仪的仪器线形函数（ILS）分布规律。 仿真结果表明， 仪器线形函数是缓慢变化的， 在一个小光谱范围内ILS可以近似认为是一致的; 波长误差是一个系统误差， 主要由光栅制造误差等引起， 采用已知波长特征谱线标定的方法可以消除。 通过真空罐模拟在轨环境， 建立了包含可调谐激光器、 波长计、 旋转散射片、 积分球和平行光管等装置的光谱定标系统， 提供线宽小于0.001 nm均匀分布的单色标准光源， 利用自动化数据处理系统测试探测仪响应曲线和单色标准光源的对应关系， 标定超光谱探测仪的光谱参数。 超光谱探测仪光谱采样率2.5像元左右， 单波长光谱的有效数据点少， 无法给出ILS函数的精确数据， 以0.015 nm波长间隔单波长扫描的新方法将光谱采样密度提高2个数量级， 高斯拟合获取光谱分辨率， 数据处理结果表明超光谱探测仪光谱分辨率为0.24~0.26 nm。 通过选取特征波长和三次多项式拟合的方法得到波长定标方程， 给出了全部像元的光谱定标数据， 选取特征波长验证拟合波长残差， 结果表明定标精度优于0.005 nm。 为了进一步验证光谱定标结果， 开展了超光谱探测仪的地面推扫成像实验， 利用中国科学院空天院怀来试验站的测试平台， 获取了松树林和石子路面的光谱数据， 超光谱探测仪测量的大气吸收线和HITRAN模拟的大气吸收线比对结果表明， 氧吸收线中心波长偏差小于0.003 nm， 证明超光谱探测仪光谱定标精度满足指标要求。

TeO2非共线声光可调滤波器（AOTF）是一种优良的电调谐分光器件, 具有体积小巧、 稳定性高、 调谐快速、 可实现便携等优点, 在超光谱成像领域具有很高的应用价值。 通过非共线AOTF与光学倒置显微镜有机结合, 建立了声光滤波超光谱显微成像系统； 在可见光范围内, 开展了人体皮肤鳞状细胞癌组织的超光谱显微成像实验研究, 获得了一系列不同衍射光中心波长下的皮肤鳞状细胞癌组织的光谱和对应的显微图像。 系统性能检测实验结果显示, 在超声频率为110～180 MHz范围内的衍射光带宽仅为1.28～2.84 nm, 表明本研究中的AOTF具有很高的光谱分辨率, 达到102个光谱通道量级, 完全可以满足超光谱显微成像对生物组织结构进行精确识别的需要。 本系统采用高质量的TeO2晶体、 双胶合透镜以及优化的射频驱动源, 有效地抑制了衍射光光谱的旁瓣。 分析了超声频率与衍射光中心波长的调谐关系, 以及超声频率与对应衍射光谱带宽的关系曲线, 实验结果与理论计算结果有着较好的一致性。 系统实验获得的皮肤鳞状细胞癌组织显微图像随光波长漂移不显著, 表明超光谱成像系统的图像稳定性高。 通过对比, 分析了不同中心衍射光下的皮肤鳞状细胞癌组织显微图像的清晰度随光波长的变化规律, 在522.52 nm时, 皮肤鳞状细胞癌组织内部各精细结构区分明显, 图像最为清晰。 通过定义透射差异系数, 分析了图像整体亮度曲线和透射差异系数随光波长变化曲线, 其变化规律与直观观察结果相符合； 对皮肤鳞状细胞癌组织图像进行了边缘提取分析, 得出在497.87～551.29 nm内, 可在整体视野较为明亮的情况下对皮肤鳞状细胞癌组织进行观察和研究, 在509.69～527.59 nm范围内, 组织边缘明亮清晰且完整, 是进行皮肤鳞状细胞癌组织结构精确识别与分析的最佳窗口。 该研究为人体皮肤鳞状细胞癌组织结构简便、 灵活、 快速地检测与识别提供了一种新方法。

全局快门在对地观测的超光谱成像、测绘及星敏应用中具有优势，但应用效果也依赖于高信噪比。针对CMOS成像特点，设计了可进行拉灌电流的低压基准源电路，基于低热光学变形的焦面电子学，提出上电初始态不定的多通道串行数据接收方法；针对全局快门所特有的寄生光灵敏度影响，采用分行统计中间行为基准的多点拟合校正方法；按照EMVA1288标准，将前照式CMOS成像系统与制冷背照式EMCCD进行了测试，校正前后单幅图像的标准差分别为3.37和0.42，最大信噪比为123.37，EMCCD的最大信噪比为359.43。结果表明，该校正方法可有效减弱全局快门的固定图形噪声，面阵CMOS在全局快门方式下的信噪比与EMCCD相比还有较大差距。

为了满足可见-近红外波段的高光谱分辨率和高灵敏观测需求，采用大面阵、低噪声碲镉汞焦平面制备技术和低损伤衬底去除技术，成功制备了高信噪比大面阵可见/近红外碲镉汞焦平面探测器。无损衬底去除技术采用机械抛光和化学腐蚀相结合的方法，使焦平面的响应波段拓展至400 nm~2 600 nm。采用信号定量化焦平面测试评价手段对可见/近红外碲镉汞焦平面的性能进行评估，640×512 25 μm中心距碲镉汞焦平面的波段量子效率可达到88.4%，信噪比达到287，有效像元率大于98%，能够获得清晰的可见和近红外波段图像。

大气温度、 水汽、 地表温度和地表发射率是大气和地表的本征信息量。 利用卫星红外资料精确反演大气温湿廓线有利于准确预报天气和研究气候变化, 同时地表温度和地表发射率光谱的反演为研究植物生长与作物产量、 地表水分蒸发与循环、 能量平衡、 地表成分及物理性质、 气候变迁与全球环境提供重要参数指标。 把大气和地面作为一个整体系统来考虑, 建立一种能同步反演大气温度廓线、 大气水汽廓线、 地表温度和地表发射率的反演方法, 利用超光谱红外卫星资料（atmospheric infrared sounder, AIRS）, 针对我国新疆地区沙漠和雪地两种典型发射率地表同步反演大气温度廓线、 水汽廓线、 地表温度和地表发射率。 反演方法首先线性化地球-大气系统红外辐射传输方程, 提出通过经验正交函数构建大气廓线和地表发射率光谱, 有效减少反演变量数, 建立同步物理反演模式, 然后以美国国家环境预报中心（National Centers for Environmental Prediction, NCEP）的预报结果（初始大气温度、 水汽廓线以及地表参数）作为初始值, 最后通过牛顿迭代得到最优化解。 反演观测区域覆盖我国新疆塔克拉玛干沙漠和准噶尔盆地, 分别选择位于塔克拉玛干沙漠腹地的塔中探测站（纬度38.98°, 经度83.64°）和准噶尔盆地的阜康荒漠生态系统国家野外科学观测研究站（纬度44.2°, 经度87.9° ）为反演地面验证点。 反演结果表明, 塔克拉玛干沙漠地表温度明显高于准噶尔盆地地表温度, 与实际情况相一致; 根据反演的8.6和13.4 μm处的地表发射率分布情况, 可以看出在8.6 μm处沙漠地表发射率明显低于雪地发射率, 在6～15 μm范围内, 反演的沙漠地区（塔中站）地表发射率和雪地地区（阜康站）地表发射率与美国喷气推进实验室测量的沙漠发射率光谱和雪地发射率光谱相一致。 研究表明, 把大气和地面作为一个整体系统来考虑, 把地表发射率加入到反演中, 通过比较和分析沙漠地区（塔中）和雪地地区（阜康）的大气廓线反演结果与当地气象探空值和传统反演方法反演值, 改进了大气温度廓线和水汽廓线反演精度, 特别是边界层温度和水汽改进尤为明显; 同时分析表明在发射率光谱变化较大的沙漠地区, 大气廓线反演精度的改进比雪地要高, 这是由于地表发射率光谱在沙漠、 戈壁地区变化较大, 而雪地的发射率光谱变化不大。 用该方法针对地表发射率光谱变化较大的地区（沙漠）同步反演大气廓线、 地表温度和地表发射率, 可以更有效的提高大气温度廓线、 水汽廓线的反演精度。 该研究结果可以为数值天气预报和我国未来超光谱红外卫星应用提供服务和有力支持, 具有十分重要的意义。Hyperspectral Infrared Satellite Data

在颜色测量领域区分相似颜色的样品是非常困难的。 测量颜色的准确性和高效性对于工业上的应用非常重要。 提出了一种基于超光谱成像技术的色彩测量的方法, 并设计制成原理样机系统。 该系统能够快速准确的测量彩色样品的光谱, 并在分析后可得丰富的颜色数据与颜色坐标。 该方法克服了传统测色方法“测谱不成像, 成像不测谱”的局限性。 为了评估系统的性能, 进行分析和实验: 比较细分的每个波段的信噪比, 并使用光谱匹配技术来比较彩色照相机和所设计的系统在颜色测量方面的优缺点。 结果表明, 本系统提供了一种更精确的颜色测量方法, 可以有效地测试产品颜色的质量。

针对红外超光谱干涉光谱仪的技术特点,分析其探测器非线性响应的形成机理,仿真含有高阶非线性误差的干涉数据,并研究二、三阶非线性响应对光谱的影响;提出一种迭代方法,即通过交叉迭代使光谱带外畸变最小,从而确定校正系数进而校正非线性响应;通过获取不同温度黑体观测的干涉数据,用交叉迭代法校正实测数据并复原光谱,将未吸收波数光谱响应与黑体辐亮度进行拟合。结果表明:二阶非线性响应主要影响带外数据,三阶非线性响应主要影响带内数据,仅校正二阶非线性响应时,光谱带内数据仍会有残留误差;交叉迭代法可以校正探测器的非线性响应,且三阶非线性校正的精度比二阶的提高了约7.26%;校正后的拟合优度比校正前的提高了约0.4%,校正后的干涉数据更准确。

相比于传统的分光元件，非共线声光可调滤波器(AOTF)具有小巧、稳定性强、调谐灵活快速、信号接收和处理方便等诸多优点，在光谱成像领域具有很高应用价值。将非共线AOTF与倒置光学显微镜有机结合，构建了显微光谱成像系统，在可见光范围内开展了肺癌组织的快速显微光谱成像研究。通过实验获得了加载在AOTF上的超声频率与衍射光波长的调谐关系，与理论计算结果符合较好；获得了在一系列中心光波长下的肺癌组织的显微图像和对应的窄带光谱。实验结果表明，系统在工作波段内均保持较好的光谱分辨性能；对不同光波长肺癌组织图像进行对比，结果未见图像明显漂移，表明图像稳定性高；各中心波长下获得的肺癌组织图像均呈现较好的清晰度；不同波长肺癌组织图像的对比以及亮度、透射率曲线的分析结果显示，在503.45~590.12 nm范围内，肺癌组织图像呈现最佳的对比度和清晰度，这主要是源于不同区域的内在组分和结构不同使得肺癌组织对于不同波长光信号的吸收程度不同。