美国JPL实验室于20世纪80年代初期研制成功第1台机载成像光谱仪，被称为AIS(航空成像光谱仪)(Goetz等，1985)，这是高光谱成像技术的首次探索。Goetz(1988)博士在Science上系统性阐述了成像光谱技术在地球遥感领域的应用能力，并公布其研究团队利用AIS飞行数据进行应用研究的结果。此后，经典的机载AVIRIS(Lockwood等，2007)、EO-1卫星Hyperion(Pearlman等，2000)等成像光谱仪相继投入应用，引领着高光谱成像技术的发展方向。除美国JPL实验室外，美国空军、海军，美国地调局等应用部门也积极推进高光谱成像技术的研究与应用，最具代表性的高光谱成像系统包括Tacsat-3卫星ATERMIS、Terra卫星(Xiong和Barnes，2006)和Aqua卫星MODIS等(Xiong等，2006)。

长期以来，中国遥感学界及应用部门在跟踪研究国外前沿技术的基础上，以应用为导向，逐步促进了高光谱成像技术在中国的发展，并且具有“门类齐全、百花齐放”的特点。各种成像方式(光机扫描型、推帚型、凝视型)、各种分光方式(光栅、棱镜、干涉等)的高光谱成像系统在中国均有研究实践。具有代表性的仪器包括：2000年研制成功的机载OMIS系统、2003年发射的神舟三号中分辨率成像光谱仪(He等，2014a；He等，2014b)、2013年成功落月的嫦娥三号红外光谱成像仪(Wang等，2005)等。2008年发射入轨的环境1号A星傅里叶干涉高光谱成像仪是中国第1台干涉式高光谱成像仪(相里斌等，2009)；2011年9月发射的天宫一号高光谱成像仪是中国第1台航天高分辨率高光谱成像仪。

随着研究的深入和应用的拓展，对高光谱成像系统的技术要求呈现多样化趋势，需要采用不同的新技术来满足应用需求。近年来突破的若干高光谱成像系统关键技术及应用主要包括：(1)应用于天宫一号飞行器基于棱镜分光的运动补偿航天高光谱成像关键技术；(2)紧凑型热红外高光谱低温分光技术；(3)机载紫外/可见/短波/热红外一体化集成机载高光谱成像关键技术；(4)阶跃集成滤光片分光技术；(5)基于AOTF分光的凝视型高光谱成像关键技术。

高光谱成像技术主要应用于航空航天遥感平台，遥感平台相对观测对象的速高比(V/H)和空间分辨率共同决定了探测的像元驻留时间(Tint)，与空间分辨率、系统F数、光谱分辨率(Δλ)等参数共同决定了探测器接收到的信号大小。相比较而言，航天遥感平台不像机载平台那样具有很大的灵活性，它的速高比可设计范围极小。色散型高光谱成像仪具有狭缝作为光阑，图谱同时获取、波段间配准精度高等优点，但同时也限制了系统的能量通量。在空间分辨率要求较高的情况下，即使达到了光子噪声限，色散型高光谱成像仪的信噪比(灵敏度)因能量限制而受到局限。不像一般的成像相机，可以通过TDI技术增加信号能量。色散型高光谱成像仪在将光机设计的口径、像元尺寸、光学效率等参数优化到极限的情况下，进一步采用运动补偿技术增加像元驻留时间，可以获取更高灵敏度的高光谱图像。

如图 1所示，如果采用物方扫描镜或卫星平台整体回扫实现成像传感器视轴获得一个与推扫方向相反的像移速度，则可以实现运动补偿，增加像元驻留时间，提高探测灵敏度。2011年9月29日发射入轨的天宫一号高光谱成像仪就采用了这项技术。飞行器飞行高度400 km，地面相对地速约7.2 km/s，短波红外高光谱成像仪设计地面分辨率20 m，如果不采用运动补偿技术，探测器采样工作帧频需要达到360 Hz。对于采用面阵探测模式的推扫式高光谱成像仪来说，高帧频的面阵探测器是难点，能否保证探测灵敏度也是关键。采用运动补偿技术后，这两个问题都得到有效化解。设计采用1:4运动补偿，探测器帧频降为90 Hz，最大驻留时间增加到11 ms左右。

运动补偿技术的关键技术难点可以通过补偿数学模型来进行阐述，如下式所示

$ {\upsilon _{\rm{i}}} = {\upsilon _{\rm{p}}} - {\upsilon _{\rm{c}}} $

(1)

式中，${\upsilon _{\rm{p}}}$ 为平台飞行速度， ${\upsilon _{\rm{c}}}$ 为扫描镜或平台整体回扫实现的补偿速度， ${\upsilon _{\rm{i}}}$ 为最终探测器获得的最终像移补偿速度。

良好的成像质量要求像移速度具有一定的稳定性，一般要求相对波动不超过10%。由于像移速度是推扫像移速度和补偿速度的差值，因此即使平台具有很好的速度稳定性，对补偿控制速度也有较高的要求。假设运动补偿比为k，则式(1)相关参量具有如下关系

$ {\upsilon _{\rm{p}}} = k{\upsilon _{\rm{i}}} $

(2)

$ {\upsilon _{\rm{c}}} = \left({k - 1} \right){\upsilon _{\rm{i}}} $

(3)

补偿速度 ${\upsilon _{\rm{c}}}$ 的速度稳定性(相对误差 $\Delta {\upsilon _{\rm{c}}}$ )是系统系统成像质量的关键，不难看出，与最终像移速度相对误差 $\Delta {\upsilon _{\rm{i}}}$ 有k–1倍的关系，即

$ {\rm{\Delta }}{\upsilon _{\rm{i}}} = \left({1 - k} \right){\rm{\Delta }}{\upsilon _{\rm{c}}} $

(4)

这说明，为了满足最终像移速度10%的相对误差要求，补偿速度相对误差要控制不超过3%，在补偿速度比较低(0.5°/s左右)的情况下，难度比较大，需要在扫描轴系、角度测量的精度和采样率方面有极高的要求。

天宫一号高光谱成像仪采用棱镜分光，可见近红外和短波红外谱段的空间分辨率分别达到了10 m和20 m的水平，由于采用了运动补偿技术，获取的图像仍然具有很高的信噪比。研制过程中，采用感应同步器进行高速高精度角度测量，为扫描镜的扫描控制提供反馈，采用输出力矩稳定性很好的有限转角力矩电机作为控制系统的执行元件。图 2是在轨获取的20 m分辨率的短波红外影像。

天宫一号是中国首台高分辨率航天高光谱成像仪，首次验证了基于扫描镜的运动补偿技术的有效性，为后续更高空间分辨率的空间高光谱成像技术奠定了技术基础。

与可见/短波红外高光谱成像系统相比，热红外高光谱即使在国外，也属于比较前沿的技术。中华人民共和国科学技术部国家高技术研究发展计划(863计划)在“十一五”、“十二五”连续两个五年计划中，分别支持中国科学院上海技术物理研究所(上海技物所)开展了热红外高光谱成像技术的原理样机和工程样机研制工作，“十三五”将有望实现机载系统的业务化应用。

紧凑型热红外高光谱成像模块是实现宽谱段一体化集成高光谱系统的关键，主要难点体现在两个方面：(1)轻小紧凑的热红外精细分光系统；(2)高效紧凑的真空低温光学技术。由于热红外主要探测常温目标的辐射，因此光学系统自身的热辐射是影响仪器辐射灵敏度和辐射精度的主要因素，必须采用低温光学技术进行抑制。经过分析，光学系统需要工作在100 K的低温环境中，系统的灵敏度才能够满足应用要求。系统同时需要与紫外/可见/短波红外这3个谱段集成在一起，满足通用稳定平台的承载能力约束。因此热红外高光谱模块必须采用轻小型紧凑式设计。

相比较而言，RT结构平面闪耀光栅光谱仪能够以紧凑结构实现较小的F数，平面闪耀光栅的制备又相对成熟。因此，热红外模块最终采用3个RT结构热红外光谱仪共用一个低温冷箱的技术方案，两台冷量10 W的制冷机为低温冷箱提供稳定可靠的冷源，如图 3所示。目前，该项技术已经成功应用于高分专项航空成像光谱仪的研制，并将推广应用到星载热红外高光谱系统的研制。

随着研究深入和应用拓展，实现更宽谱段的高光谱成像信息获取能力的需求越来越迫切。因为许多应用场景往往非常复杂，例如：在目标特性研究中，导弹及其尾焰的温度范围覆盖了从常温(甚至低温280 K)到高温3000 K，其峰值光谱辐射覆盖了很大的范围；在地质资源遥感中，紫外/可见/短波/热红外可以应用于痕量气体探测、植被覆盖及长势、矿物调查等，硅酸盐矿物的特征光谱信息主要集中在热红外谱段。宽谱段的一体化集成能够满足同时获取目标各谱段光谱图像的应用需求。中国科学院上海技术物理研究所研制的OMIS和欧洲空间局近年研制的SYSIPHE都是这种类型的高光谱成像系统。

在机载平台上实现宽谱段一体化集成，除了需要解决各谱段高性能光谱成像等单项关键技术外，还需要解决各模块的轻小型和紧凑设计，因为载机平台姿态的扰动需要通过通用三轴稳定平台进行抑制，以获得像质优良的光谱图像。通用三轴稳定平台的载重能力是宽谱段高光谱成像系统设计的最强约束，例如重载的PAV80平台的承重极限为100 kg。

仪器设计总视场角40°，可见近红外谱段空间分辨率最高，为0.25 mrad(紫外和短波红外0.5 mrad，热红外1 mrad)，光谱波段数从紫外/可见/短波/热红外分别为512/256/512/140。总体上采用推扫成像方式，需要选用的面阵探测器在垂直飞行方向(空间维)至少有2800个像元(短波1400像元、热红外700个像元)，每个谱段均采用视场三拼的方式实现大视场。仪器通过立体布局实现与通用PAV80平台的兼容。如图 4所示，系统采用上下两层布局，体积较大的可见/短波/热红外模块布局于顶层，体积较紧凑的紫外模块安装于下层。对地观测视场自左向右依次为短波红外、可见近红外、紫外、热红外。系统主承力结构采用碳纤维轻量化技术，最终实现系统总质量96 kg。

宽谱段一体化集成系统在实验室完成集成测试后，于2016年2月底在三亚进行了航空飞行试验验证，获取了质量优良的高光谱图像，仪器实物照片如图 5所示，飞行图像如图 6所示。

阶跃集成滤光片是指在单一基片上集成了多个微型法布里-珀珞F-P(Fabry-Perot)滤光片，F-P滤光片中空谐振腔的厚度、高低折射率介质的厚度以及介质层数，共同决定了其中心波长及带宽。图 7是基于F-P滤光片的高光谱成像系统工作原理图。相比于棱镜/光栅型分光系统而言，滤光片式分光的优点在于系统设计简单，实现相对容易；缺点是图像的配准和数据的后处理比较复杂，应用于航空平台有一定难度。

基于集成滤光片分光的高光谱成像仪在国内外还比较少见。上海技物所2015年首次在短波红外2.0—2.5 μm波段上实现了基于单基片阶跃集成滤光片分光的、光谱半峰全宽仅为6 nm的高光谱成像仪。基于6级TDI的阶跃集成滤光片分光系统在2.0—2.5 μm波段上信噪比达到100，灵敏度和系统体积等均优于色散型分光方案。在地面进行的成像实验结果如图 8所示。阶跃集成滤光片技术结合探测器TDI技术将有望实现更高空间分辨率的航天高光谱成像。

声光可调谐滤波器AOTF(Acousto-Optic Tunable Filter)是根据声光衍射原理制成的新型分光器件，器件将射频(RF)驱动信号转换为超声波振动，超声波对互作用介质的折射率产生周期性的调制，被调制的互作用介质如同一块相位光栅，起到衍射分光的作用。

基于AOTF分光技术可以实现凝视型高光谱成像，对2维视场进行同时探测，图像立方体光谱维信息的获取通过分时扫描获取。这种技术特别适用于静止平台的就位探测。凝视型的高光谱成像仪相对于光机扫描式和推帚式而言，无需运动部件即可实现对2维目标图像和光谱的获取，具备独特优势。但对于运动平台而言，由于其空间维和光谱维不是同时获取的，其影像匹配后处理相对复杂，对平台姿态的要求相对较高。

嫦娥三号月球着陆车载红外高光谱成像仪采用的就是基于AOTF分光的凝视型高光谱成像方案(图 9)，通过改变施加在AOTF上的驱动信号的频率来改变衍射光的波长，从而实现对观测目标不同波长的光谱图像和光谱信息的获取。该仪器的主要技术指标如表 1。

嫦娥三号在国际上首次实现月面目标就位光谱成像探测，为月面巡视区矿物组成分析提供科学探测数据。为了轻小型化，适应月面巡视探测对载荷的资源限制，搭载的红外成像光谱仪(图 10)采用了新型分光技术—射频驱动声光可调谐技术，是中国该类技术的首次空间应用。基于AOTF的分光特性，设计了专用的测试系统，对AOTF的衍射波长与驱动频率、衍射波长与衍射效率、衍射波长与光谱分辨率等特性进行全波段的精细测试。

在国家重大任务需求的牵引下，中国航空航天高光谱成像技术取得了重要进展，相关关键技术的突破掌握为提升高光谱信息获取能力提供了保证。天宫一号运动补偿高光谱成像技术、紧凑型热红外高光谱低温分光技术、宽谱段一体化机载高光谱集成技术、基于AOTF分光的高光谱成像系统技术等是近年来高光谱成像领域具有代表性的关键技术突破。随着核心元部件性能的进一步提高和应用研究的深入发展，更高光谱分辨率、更高空间分辨率、更大幅宽的高光谱成像系统将会出现。随之而来的海量数据，要求突破数据处理与应用的定量化、智能化等关键技术，应该是下一步发展的重点之一。