综合性遥感监测对载荷的灵敏度和动态范围都有较高的要求, 为此提出一种基于逐像元多挡增益切换的光谱成像方法。 不同于帧增益或者行列增益切换的成像方式, 该方法利用4T-APS CMOS探测器无破坏读出的特点, 可以进行像元级的增益优化。 这种方式可以兼顾水体、 植被、 云层等多要素的成像需求, 极大地提高了载荷的研制效益。 其基本原理为探测器先进行全局曝光, 然后根据多级积分电容的饱和判断, 选取不饱和的最高增益信号以增益码加信号的形式下传。 地面根据增益码对应的定标系数反推出像元真实辐射值。 由于谱段多且为分段响应, 为保证系统的定量化应用, 建立多挡增益光谱成像模型并进行噪声分析具有重要意义。 通过对噪声类型的分析, 建立了多挡增益下的泊松-高斯噪声模型。 基于该模型计算了像元受噪声影响以低增益读出的概率。 结果表明, 虽然噪声会影响读出增益的变化, 但影响区间极小, 入瞳辐亮度在5 mW·cm^-2·μm^-1·sr^-1以内, 信号比增益挡位辐亮度分界值小0.05 mW·cm^-2·μm^-1·sr^-1即可保证正常读出的概率大于99.6%。 随着信号增强, 光子噪声增大, 增益减小, 影响区间扩大。 根据多挡增益信噪比模型, 分析得出光谱模式与合并通道模式下的信噪比变化。 最后, 利用宽波段成像光谱仪(WIS)数据作为入瞳辐亮度进行了四挡增益的推扫式光谱成像模拟, 分析了多挡增益光谱图像的固有特点。 根据噪声模型对中心波长为0.443 μm的光谱图像添加1~3σ的随机噪声, 分析了噪声对地物目标所处增益的影响。 结果显示, 在满足信噪比指标的前提下, 该系统的单挡动态范围为74 dB, 总动态范围可达114 dB。 该方法不但提高了水体等弱信号的信噪比, 而且可以保证建筑、 云层等亮目标不饱和。 成像模拟及噪声分析不仅有利于该载荷的后续研制, 也可以为同类光谱仪器的设计提供参考。