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。

聚酰亚胺(PI)薄膜因具有优良的热稳定性、良好的机械强度等性能广泛应用于航空航天、微电子等领域，但应用在光学成像方向的报道极少。要将PI薄膜用于成像，对其本身的光学均匀性要求极为苛刻。本文实现了100 mm口径低热膨胀系数抗拉伸PI薄膜的光学均匀性满足瑞利判据，具有了成像领域应用的潜力。除了光学均匀性之外，该PI的拉伸强度为285 MPa，是PMDA-ODA型PI拉伸强度的~2.6倍；热膨胀系数约为3.2 ppm?K-1，可以与Novastrat?905相媲美，比商品化PI薄膜低一个数量级。这些优良的基础性能为进一步改进PI薄膜的空间适应性预留了更大的空间。PI光学均匀性的解决将为其在薄膜衍射光学元件中的应用奠定基础。

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。

热红外谱段是对地观测高光谱遥感中非常有用的波段, 受限于技术发展, 热红外谱段的高光谱成像系统在国内的空间光电系统中并不多见, 近年来在国家相关部门的支持下发展迅速, 取得了较大进展。结合“十二五”期间研制的机载热红外高光谱成像仪系统, 建立了信号流模型, 对系统背景辐射进行了建模仿真, 并对红外焦平面组件等效暗电流进行了分析测量, 在此基础上得出了影响系统的探测灵敏度的关键因素, 给出了系统设计低温光学100 K制冷的设计依据。机载热红外高光谱成像仪研制完成后, 还进行了探测灵敏度实际测量并与仿真结果进行了对比分析, 对未来进一步发展热红外高光谱成像技术积累了重要数据。

红外谱段是高光谱遥感中非常有用的波段, 由于红外波段的能量小、焦平面探测器研制难、红外背景辐射大等原因, 红外谱段的高光谱成像系统并不常见, 目前仍然处于仪器发展阶段.本文介绍了一台机载热红外高光谱成像仪, 它在8.0~12.5 μm的光谱范围内可得到180个波段的光谱信息, 光谱分辨率优于44 nm, 光谱定标精度优于1 nm.仪器观测总视场14°, 空间分辨率优于1 mrad, 噪声等效温差优于0.2 K@300 K(平均).仪器于2015年5月开展了实验室辐射标定和光谱标定, 并于2015年6月在中国浙江舟山开展了飞行试验, 获取了指定区域的红外高光谱图像, 处理结果表明红外高光谱数据立方体可以有效地反演地表温度和地表辐射率, 反演的发射率曲线可以用于地物识别.

在探月工程中，为了实现基于空间应用光谱仪的多目标光谱探测，需要设计满足轻小型和高可靠性的二维指向机构。目前，超声电机作为驱动源，精密电位计作为一种位置传感器，因其自身的优良性能正逐步应用于精密仪器和定位技术中。基于此，设计了由超声电机、精密电位计和扫描镜组成的二维指向机构，并以一维指向模型为工程样机，通过设计闭环控制电路和指向控制机制进行功能测试，验证了该机构空间应用的可行性。为了测量精度，搭建实验室测试平台，并进行多次指向试验，通过对测试结果进行分析，提出提高指向精度的方案。