目前,多光谱成像技术因其能够同时获取目标的图谱信息而被广泛应用在各种研究领域。对于物候观测领域,要求观测设备的体积小、质量轻,具有宽光谱范围、高质量像质等特点,因此多光谱相机的性能需要不断地被提升。本课题针对多光谱成像系统在获取植被空间及光谱数据中的应用,采取多孔径共探测器的快照式多光谱成像方式,研究了两种轻小型多光谱成像方案。一种方案是基于棱镜分孔径的多光谱成像系统。受仿生复眼视觉启发,提出了基于棱镜的分孔径式成像。首先,从棱镜分孔径的机理、棱镜的色散影响和消色散方式三个方面进行理论分析,验证了棱镜实现分孔径功能的可行性;用光线追迹的方法,建立棱镜的二维模型,计算得到经过棱镜的偏转角近似线性时顶角的角度范围。其次,完成了基于棱镜分孔径的光学系统设计。为实现九个谱段的快照式成像,依据棱镜分孔径原理,计算得到棱镜的结构参数、棱镜与色散补偿镜之间的角度关系。分析物镜的孔径光阑位置对棱镜分孔径方式的影响,选择一款手机镜头作为成像物镜的初始结构,用Zemax光学软件优化设计,得到大视场非球面物镜,根据公差给定的方法和原则进行了光学系统的公差分析,得出了该设计的可行性。最后,将组合棱镜与非球面物镜作为整体,分析系统成像质量,设计消杂光光阑,在Trace Pro仿真软件中对系统进行光线追迹验证,最终设计结果满足九个谱段的探测需求。另一种轻小型多光谱成像方案是通过自聚焦微透镜阵列+滤光片阵列的形式获取各通道的光谱信息。首先,依据自聚焦透镜折射率变化公式,在Zemax中设置梯度透镜面型,完成对子系统的光学设计;将其加工装配,完成工程样机研制并开展了光谱标定,得到了九个通道不同波段的多光谱数据立方体,拟合出了多光谱相机各通道的光谱响应曲线。最后分析对比两种轻小型多光谱成像方案,对设计的不足之处提出有效改进措施。