推扫式光谱成像技术虽然具备较高的空间、光谱分辨率，但其推扫成像的技术特点使其牺牲了时间分辨率，无法满足对动态目标、短时过程的光谱成像，限制了高光谱成像技术的应用范围。针对该缺陷，研制了基于微透镜阵列的快照式高光谱成像仪。快照式光谱成像仪波段范围为500~700 nm，平均光谱分辨率优于10 nm。按照上述指标首先进行了快照式光谱成像仪的光学设计，然后根据光学设计结果对关键元器件进行了加工采购，并搭建了系统样机。通过对搭建的系统样机进行定标及目标物探测测试，仪器光谱成像效果良好。较传统推扫式光谱成像系统，该系统实现了快照式光谱成像，能够有效地提升高光谱成像探测效率，有助于拓展高光谱成像探测技术的应用范围。

针对现阶段强度调制偏振光谱测量技术在光程差域内不同通道间存在频谱信息串扰的不足，采用加窗插值傅里叶变换法，研究了不同切趾函数对强度调制偏振光谱测量技术的影响。首先，进行强度调制偏振光谱测量技术理论分析，完成强度调制模块的设计；其次，根据强度调制模块的设计指标，模拟入射光的光强信息及采用不同切趾函数的信息解调复原过程；最终，对强度调制偏振光谱测量系统进行仿真，根据仿真模型结合高分辨率光谱仪、平行光管等器件完成偏振光谱测量装置的搭建，进行偏振光谱测量实验。研究结果表明，偏振光谱测量系统设计指标选择合适的切趾函数可以减少光强信息截断过程中造成的频谱能量泄露，使光程差域内不同通道之间的串扰信息减少、偏振光谱复原精度提高，不同切趾函数切趾处理后线偏振光的偏振度最小误差由0.076 8减小到0.001 4，偏振度接近1。

为实现海水吸光度大范围长时间的测量，设计了适用于海洋拖曳观测系统的原位吸光度传感器。传感器可实现多波段吸光度同步探测，选取LED和光电二极管分别作为光源和探测器，通过多通道并排排列的光机结构布局方式及高集成电路优化等实现传感器的小型化及低功耗设计；使用窄带光学滤光片及数字锁相处理算法实现明场环境下的海水吸光度原位探测。实验证明该吸光度传感器具有高精度、小体积、抗环境干扰能力强、功耗低、稳定等优点，传感器精度优于0.000 1 AU。该吸光度传感器可通过设计不同路径长度的吸收池来适应复杂的水域环境，也可在近岸海域搭载船只通过走航式实现连续探测，具有广泛的应用前景。

针对水下目标探测和追踪的需求，以典型发光生物夜光藻为研究对象，利用自主研制的库埃特实验装置为夜光藻提供不同的流场刺激，采用电子倍增电荷耦合器件相机在库埃特样品室固定位置处实时观测并捕获图像，定性研究了夜光藻在不同流场刺激下的发光特性。研究发现：发光峰值强度随着转速的增加而增强，发光强度随着夜光藻自身能量消耗消耗发光强度，逐渐减弱趋于相同；通过富含浓度为30×10⁴ cell/m³夜光藻的开放式水槽模拟海洋环境，采用带螺旋桨的水下模型在水槽中做逆时针圆周运动，基于单尺度Retinex算法对EMCCD获得的图像数据进行处理分析，在保持光尾流特征最大化的同时抑制水面背景的影响，图像增强后的图像可清晰观测到目标运动尾迹呈逆时针旋转，初步证明了利用海洋生物受激发光可实现水下目标运动轨迹可视化。生物受激发光可作为一种探测海洋运动目标的技术和方法。

随着海洋经济的发展及海洋探索的不断深入，对于高精度、高实效性水下探测手段的需求迫切。高光谱成像探测技术作为将光谱技术及成像技术结合的探测手段，能够在一定程度上填补水下高精度探测的缺口，因此各国研究者逐步开展了水下高光谱成像探测技术的研究。本文介绍了水下高光谱成像技术的发展背景，对不同光谱成像技术方案及水下光谱成像探测系统组成进行了综述，在此基础上概述了目前国内外水下光谱成像探测研究进展，指出了目前水下光谱成像探测技术发展面临的问题和挑战，并对未来水下光谱成像探测技术发展进行了展望。

传统的线性渐变滤光片型高光谱成像仪，把线性渐变滤光片置于探测器窗口前，因线性渐变滤光片与探测器焦平面的位置差异，会产生光谱分辨率降低等问题。为了解决这个问题，设计了基于线性渐变滤光片的高光谱成像仪样机，整个系统包括望远系统、线性渐变滤光片元件、中继系统和探测系统四部分。将线性渐变滤光片置于望远系统的焦平面上，中继系统把线性渐变滤光片成像在探测系统靶面上，使线性渐变滤光片与探测系统焦面重合。高光谱成像仪系统的光谱范围为400~700 nm，谱段数为31，光谱分辨率为10 nm，视场角为±8°，焦距为55 mm。搭建样机并开展光谱定标与应用实验，效果良好。相比传统采用棱镜或光栅分光的高光谱成像仪系统，该系统省去了准直系统，具有体积小、重量轻、光通量大的优势，可为高光谱成像仪的小型化提供参考。