为解决无人机高光谱成像仪体积大，探测效率低等问题，提出了一种轻小型多模态高分辨率高光谱成像仪。文中主要介绍了高光谱成像仪光学系统设计，数据采集及实时处理模块。通过切换扫描模式满足光谱特性分析，目标检测等不同领域的探测模式需求。采用低畸变、高通量、紧凑型分光光学系统设计实现无人机平台对光谱成像仪的重量要求和探测精度要求。根据设计需求实现产品的加工同时进行了性能测试，其中，MTF达到 0.19，光谱分辨率 3.5～5.4 nm。通过检测多种流水线中的杂质验证系统对实时目标检测的能力。实现结果表明，系统能够实现每秒 2048 pixel×2048 pixel场景的高精度光谱异常目标探测，探测精度优于87%。

长波红外高光谱成像系统由于光谱细分导致探测器所接收的目标信号的能量较一般成像系统弱，因此系统噪声对成像效果影响较大。针对这一现象，本文在分析系统噪声成分的基础上，提出采用 ADC多次采样平均的方法来降低其噪声，并从理论上推导了该方法的有效性。然后搭建了实验系统，分析计算不同积分时间下，利用多次采样平均技术得到的信号和噪声大小，并计算系统的信噪比和 NETD。结果表明，多次（ m次）采样平均对系统的信号值几乎无影响，但可以将系统噪声降低至原来的 m－1/2倍。因此，该方法可将系统的信噪比提高至原来的 m1/2倍，并能有效降低系统的 NETD，提高系统灵敏度。该方法为改善长波红外高光谱成像系统成像效果提供了一种方案。

为了满足宽幅长波红外高光谱成像需求, 基于光导型碲镉汞线列探测器和平面闪耀光栅, 提出了一种在长波红外8~12.5 m范围内具有150个连续波段、30°成像视场角、基于地面应用的低成本、轻小型高光谱扫描成像系统的设计方法。该系统由光栅扫描机构和视场扫描机构组成, 两机构同步控制以实现精细分光和宽幅成像功能。推导了光栅扫描角度与探测器接收单色光的波长、视场扫描角度与成像视场角间的关系式。在分析扫描系统扫描定位精度的基础上, 设计了一套以步进电机为运动核心, 采用“摆扫定位+停止成像”工作模式的扫描系统。实验表明, 该扫描系统可满足系统视场定位精度及分光精度的要求。获取的硅碳棒在长波红外波段的发射光谱曲线表明该系统的设计合理有效。该扫描系统的设计方法对长波红外高光谱系统的设计具有一定的指导意义。

植被叶绿素荧光与光合作用关系密切, 被认为是光合作用的有效探针。 该研究利用成像高光谱传感器和无人飞艇构建了一套适用于低空叶绿素荧光探测的系统。 针对低空叶绿素荧光探测中, 太阳下行辐射光谱难以获取的情况, 基于已有的aFLD方法, 提出一种新的叶绿素荧光提取方法a3FLD, 该方法利用了非荧光发射体, 且考虑植被反射率在夫琅和费线附近的变化。 通过模拟数据以及实测数据对两种提取结果进行了比较。 模拟数据分析结果显示: 当地物的反射率在夫琅和费线附近存在一定的变化时, a3FLD计算得到的荧光值误差小于aFLD, 地物反射率变化越大, a3FLD的改进越明显。 对低空高光谱影像数据的分析显示: aFLD和a3FLD提取不同植被的日光诱导叶绿素荧光相对大小关系相一致, 与作物所处的生长阶段吻合。 但aFLD荧光提取值比a3FLD高15%左右。 aFLD的结果中有部分非荧光发射体得到较强荧光, a3FLD能改进此问题。 结果显示, 利用该系统和方法能够成功地提取到植被叶绿素荧光, 且所提出a3FLD方法提取的结果优于aFLD方法。

结合FluorMOD模型模拟数据与利用光谱分辨率3.3 nm、 光谱采样间隔为0.71~0.74 nm近地面成像高光谱系统获取的抽穗期小麦高光谱影像比较3种基于夫琅和费线暗线的提取方法(FLD, 3FLD和iFLD)的精确性和稳定性。 结果表明当光谱分辨率为3.3 nm时, 在760 nm附近的O2-A波段可以有效提取日光诱导叶绿素荧光, 而在687 nm附近的O2-B波段不适合。 当存在噪声时, FLD和3FLD的稳定性高于iFLD, FLD倾向于高估荧光值。

探讨应用高光谱成像技术快速无损鉴别不同苹果蜡的可行性。 通过对分别打食用果蜡、 工业蜡和未打蜡的126个苹果样品, 采用380～1 024 nm范围的高光谱图像仪获取三类苹果的高光谱图像信息, 采用ENVI软件处理平台提取高光谱图像中对象的漫反射光谱响应特性。 从126个样品中随机取出84个样品建模, 其余42个样品作为独立的验证集。 对光谱数据分别采用偏最小二乘（PLS）、 最小二乘支持向量机（LS-SVM）和BP神经网络等建立高光谱响应特征与食用蜡苹果、 工业蜡苹果、 未打蜡苹果的关系模型, 比较不同建模方法的效果。 结果表明: 采用MSC-SPA-LS-SVM模型可以较好的区分食用果蜡、 工业蜡和未打蜡的三类苹果, 预测结果的正确率分别为100%, 100%和92.86%。

基于声光可调谐滤波器(Acousto-Optical Tunable Filter，AOTF)的多频工作模式，提出了一种成像光谱系统光谱响应可编程的技术.阐述了该技术的原理方法，介绍了光谱可编程的测试结果，包括对滤光波长、光谱分辨率及滤波通带形状的软件控制.在此基础上，研制了一套光谱可编程成像光谱系统的原理样机并进行了初步的成像实验.通过实验结果证明了该技术的工程可行性和技术优势，为提高成像光谱系统的效率和灵活性提供了一种新的途径.

在分析热红外高光谱成像系统主要技术参数之间的制约关系的基础上, 针对热红外高光谱成像系统目标能量微弱、背景热辐射严重等难点, 提出了几种有效抑制背景辐射的措施, 并建立了一套高背景抑制的热红外高光谱推帚式成像实验装置, 实现了地面试验成像.根据冷背景实验结果, 分析了热红外高光谱成像系统的性能和各种影响因素的关系, 并提出了系统性能优化的可行性.

为了减小超光谱成像系统的质量和体积，校正光谱成像的谱线弯曲，提出了一种新型带有Féry曲面棱镜的Offner超光谱成像系统。在该系统中，一对Féry曲面棱镜位于Offner中继系统的两臂，光束两次通过Féry棱镜进行分光，因此当获得指定大小的色散值时该结构具有比传统结构更小的质量和体积。为了减小可见近红外(VNIR)光谱通道的非线性色散，在该结构中还引入一对消色差火石Féry棱镜。设计了应用于VNIR和短波红外(SWIR)两个光谱通道的超光谱成像系统，并给出了设计结果。结果表明，该光谱成像系统在两个光谱通道内的谱线弯曲均小于0.1个像元，色畸变均<0.045个像元，而非线性度小于0.1，可满足机载或星载超光谱成像仪的要求。

生鲜猪肉中细菌总数(TVC)超标会直接危害大众, 为此研究验证高光谱成像技术结合相应的建模方法预测生鲜猪肉中TVC的可行性。 针对非线性、 小样本问题, 以及光谱维和空间维的大数据量问题, 在综合比较偏最小二乘回归(PLSR)、 人工神经网络(ANNs)和最小二乘支持向量机(LS-SVM)3种建模方法的基础上, 最终选取了LS-SVM方法组建模型。 3种建模方法综合比较的结果表明, LS-SVM同时兼顾了训练精度和泛化能力两方面的性能, 使其都能做到最优, 与标准平板菌落计数法所检测TVC的决定系数分别为0.987 2和0.942 6, 校正均方根误差和预测标准均方根误差分别为0.207 1和0.217 6, 其建模性能优于其他方法。 研究结果表明, 高光谱成像技术结合LS-SVM预测建模方法可作为快速、 非破坏预测生鲜猪肉TVC的有效手段。