计算层析成像光谱既有传统成像光谱仪获取目标二维空间和一维光谱“图谱合一”的能力, 还具有高通量测量和免扫描特性, 在光谱成像领域拥有广泛应用场景并得到大量研究。 根据中心切片定理, 计算层析成像光谱仪性能主要受焦平面阵列探测器(FPA)和二维色散元件的性能制约, 以往研究主要在改进二维色散元件设计以增加衍射级次和投影角度以提高精确重建光谱所需的采样量。 从FPA二维色散投影测量入手, 提出并行压缩感知理论和计算层析成像光谱结合的方法, 构建并行压缩感知计算层析成像光谱模型, 利用低分辨FPA实现更高分辨率的色散投影测量, 最终实现高于传统计算层析直接测量的性能水平。 该研究为验证该成像光谱模型的正确性与可行性, 先选用高光谱数据集对色散投影直接测量模型进行了三光谱立方体到二维色散投影和并行压缩感知测量模型重建的仿真实验, 在仿真结果正确的前提下使用连续谱激光器和反射式数字微镜进行了相应的光学系统实验, 完成了投影矩阵的逐点精确标定, 并提出提高标定效率的并行标定方法, 将标定时间降低到单点标定的四分之一。 结果显示并行压缩感知计算层析成像光谱可以获得更高的光谱重建质量, 能获得高于FPA自身性能的高分辨光谱投影并大幅提高光谱重建质量, 验证了所提并行压缩感知计算层析成像光谱的正确性与可行性。

利用矢量衍射理论,对矩形槽型光栅和三角槽型光栅分别进行衍射效率分析,结果表明三角槽型光栅的衍射效率比矩形槽型光栅高出1倍左右。基于五轴超精密单点金刚石车床切削工艺,计算了金刚石刀头移动误差、移动间隔标准偏差范围、光栅刻线位置的加工偏差,并分析了刀头磨损对光栅衍射效率的影响。在此基础上,成功研制了曲率半径为70 mm、刻线密度为60 line/mm、直径为52 mm的凸面闪耀光栅,在1000~2500 nm光谱范围内,其最大相对衍射效率大于80%,平均相对衍射效率大于60%。实际飞行高光谱数据表明,基于该光栅研制的短波红外成像光谱仪满足地质遥感技术要求。

简要叙述了LASIS光谱成像系统的原理和仪器构成, 针对LASIS光谱成像仪像方视场与干涉数据单边过零采样的要求, 通过对实体Mach-Zehnder横向剪切干涉仪结构和光路进行分析, 并对比Sagnac型横向剪切干涉仪的结构, 研究了该干涉仪的附加光程差与加工误差的关系, 给出了附加光程差公式和误差容限公式, 对探测器阵面上光程差变化的非线性效应影响进行了分析和仿真。 结果表明, 相比Sagnac型横向剪切干涉仪, 因实体Mach-Zehnder干涉仪的非共光路特点产生的附加光程差会导致探测器上的零光程位置的偏移, 为保证过零单边采样的要求, 需对干涉仪的尺寸误差进行严格约束, 其中组成干涉仪的两块非对称五角棱镜非对称量的匹配误差小于0.02 mm; 而探测器上光程差变化的非线性效应引起的光谱复原误差小于0.2%, 基本可以忽略不计。

大孔径静态干涉成像光谱仪获取图谱数据立方体的过程包含干涉仪调制、 探测器矩形函数卷积采样和光谱反演, 其光谱信噪比评估模型复杂。 从光谱能量调制、 采样、 反演的完整传输过程入手, 根据探测器矩形卷积采样原理, 采用离散傅里叶变换取实部的光谱反演方法, 进行信号与噪声的理论推导, 建立了大孔径静态干涉成像光谱仪光谱信噪比评估模型。 考虑了与波数相关的光学系统透过率、 干涉仪分束面效率、 探测器量子效率等仪器设计参数和主要电路噪声参数, 进行了光谱信噪比仿真计算。 利用LASIS仪器进行了光谱信噪比实验测试, 测试结果与模型仿真计算结果平均偏差为358%, 单谱段信噪比趋势基本吻合, 验证了评估模型的正确性。 评估模型中包含了典型LASIS成像光谱仪由输入光谱辐射到输出光谱数据的各项主要技术环节, 在信噪比计算公式中带入干涉仪分束面干涉效率、 探测器矩形采样方式等因素对仪器光谱信噪比的影响算子, 并利用实际仪器进行了实验验证, 对提高LASIS成像光谱仪工程设计水平具有指导意义。

基于一种固体马赫曾德尔(Mach-Zehnder)成像光谱仪，从理论上严格推导了其光谱反演模型，通过该光谱反演模型着重分析了反射面平移误差对系统光谱反演带来的影响。运用Zemax软件建立了成像光谱仪的仿真模型，并运用该仿真模型对固体马赫曾德尔成像光谱系统光谱反演及平移误差推导结果进行了仿真验算。理论推导及仿真结果表明，固体马赫曾德尔成像光谱仪中反射面的平移误差将对系统的光谱反演结果带来影响，并且光谱的反演误差与两路剪切分光光路中反射面平移误差的总和相关。因此，在固体马赫曾德尔成像光谱仪的研制过程中，需要严格控制两路平移误差的总和，或通过适当的补偿遏制其对测量结果的影响，提高系统的光谱测量精度。

计算光谱成像是一种新型的光谱成像技术, 具有高通量、 快照式成像等优点, 但关于其成像质量评价的研究还很少。 工作中探索了一种计算光谱成像系统成像质量的定量评价方法。 该方法利用ISO 12233靶标作为目标源, 进行成像、 图谱信息重构, 并通过测量重构图的调制传递函数（MTF）作为计算光谱成像系统的成像质量评价标准。 结果表明, 对于单帧采样, 随着混叠谱段数的增加, 重构图MTF迅速下降, 当混叠波段的数目达到9个时, 重构图MTF与目标场景图像相比已下降50%。 该研究有助于理解计算光谱成像技术的优缺点, 合理安排混叠谱段的数量, 以精确地复原目标信息。

计算光谱成像技术相比较传统光谱成像技术具有高通量、快照成像等优点，但由于色散元件的存在，同样受到谱线弯曲的影响.为了研究谱线弯曲对计算光谱成像系统信号采集、图谱混叠与重构结果的影响，结合系统原理及重构算法，分析计算了不同谱线偏移量下系统重构图像的相对峰值信噪比及复原光谱曲线的最大偏差.实验结果表明，谱线弯曲引起的探测器采样信号的光谱偏离会导致图谱混叠程度的变化，与没有谱线弯曲的情况相比，重构结果出现明显的偏差，复原光谱曲线两侧趋于平滑.对于光谱分辨率为10 nm的计算光谱成像系统，为了高准确度的复原目标场景，谱线弯曲引起的光谱偏移量应控制在半个像元以内.

大孔径静态干涉成像光谱技术在航天遥感应用中， 由于探测器横纹误差影响， 使获得的干涉数据无法反演光谱数据， 需要对横纹误差进行修正。 通过对干涉成像机理的分析， 给出探测器横纹误差影响下的干涉成像模型， 提出横纹误差影响下干涉数据修正方法。 最后利用仪器获取的数据， 对提出的修正方法进行验证， 由处理结果可以看出， 本文所提的修正方法可以很好的修正横纹误差对光谱的影响， 提高反演光谱的精度。

为了检测在不同湿度条件下西洋参品质的变化，根据分子结构改变引起荧光光谱变化的原理，对西洋参的活性成分进行在体检测。选用中心波长为254 nm的紫外光源激发西洋参检品发射荧光，利用基于可调液晶滤光器的光谱成像装置获取检品420～680 nm之间的连续荧光光谱图像。采用帧差法提取光谱立方体的有效区域并绘制特征光谱图。对存放于不同湿度条件下的三份西洋参检品连续检测，并绘制归一化特征光谱图。特征光谱图显示不同湿度对西洋参的影响趋势一样。利用饮片与对照品的加权欧氏距离反映西洋参的变化规律，湿度越大距离变化越快。检测结果反映出在不同湿度条件下西洋参活性成分随存放时间的变化，而且这种变化是不可逆的。

大孔径静态干涉成像光谱技术是近年来出现的一种新型干涉成像光谱技术,具有原理简单、稳定性高等诸多优点,但是仪器对光学系统的设计要求苛刻。 特别是光学系统的畸变,对仪器获取的数据有较大的影响,并最终影响仪器的应用。 通过对仪器获取数据机理的分析,给出光学系统畸变影响下的数据模型,为仪器的性能评估提供可能。 最后在4%的畸变值条件下,利用模型和既定参数对畸变影响进行计算机仿真,由仿真结果可以看出,虽然该畸变对于普通的光学成像系统来说是可以容忍的,但是对于大孔径静态干涉成像光谱仪来说,复原光谱不但存在>5%的相对偏差,而且光谱位置在长波处产生了近8 nm的偏移,从而导致光谱无法应用,因此该畸变是不可容忍的。