高光谱成像仪作为一种图谱融合的成像技术,已经在精细农业、海洋观测、城市规划、灾害监测等诸多领域得以应用。高光谱成像仪不仅可以获得目标的几何特征,还能够定量化反演得到目标的光谱反射、辐射和吸收特性。由于高光谱成像仪对目标的光谱特征测量精度高度依赖于仪器自身的光谱状态,因此,针对具体的应用场景,都需要对高光谱成像仪进行高精度的光谱标定,才能够通过分析三维立体光谱影像获取有价值的信息来满足任务需求。本论文深入地研究了机载高光谱成像仪的光谱定标关键技术,解决了高光谱成像仪短波模块的实验室光谱定标过程中由水汽所引起的响应畸变问题,并根据水汽自身的光谱吸收特征提出了一种基于水汽的光谱定标方法。此外,本论文根据小尺寸的地面靶标,针对机载光谱仪,提出了一种新的基于大气吸收特征的机上光谱定标算法,解决了大气下垫面对机上光谱定标精度的影响。本论文详细地研究了以上光谱定标关键技术的理论依据和原理,并通过实际的实验数据证明了上述关键技术的有效性和可行性。本论文的主要工作内容和创新成果包括以下方面:1)本论文提出了一种基于单色仪和水汽光谱吸收特性的实验室光谱定标方法,该方法是基于对高光谱成像仪光谱定标原理的详细分析和实验室光谱定标过程中水汽对单色光的吸收现象提出的。实验室水汽光谱定标方法解决了常温常压条件下,高光谱成像仪在1350 nm～1420 nm和1820 nm～1940 nm光波长范围内数字响应曲线失真的问题。实验结果表明,通过引入中心波长偏移量、光谱响应半高宽伸缩量,以及响应效率的变化量,该方法能够使高光谱成像仪在非真空环境下有效的克服由水汽吸收所导致的数字响应曲线偏离其本征高斯型曲线的畸变现象,最大程度的还原仪器在水汽吸收波长范围内的波段本征光谱响应函数,提高了仪器的光谱标定精度。2)本论文通过建立高光谱成像仪的理论响应曲线与实际响应曲线之间的差异度函数,修正了单色仪的系统误差,使短波红外高光谱相机的实验室光谱定标精度从±0.5 nm提升到±0.125 nm,完成了高光谱成像仪短波红外模块的高精确度实验室光谱定标工作。本论文详细阐述了基于单色仪和水汽光谱吸收特性的实验室光谱定标方法的原理和具体实施步骤,并利用机载短波红外高光谱成像仪、单波长半导体激光器对该定标方法进行了可靠性以及有效性分析,系统性的实现了对实验室光谱定标结果的定量化评价。结果表明,高光谱成像仪短波红外模块基于水汽吸收特性的光谱定标方法能够使实验室光谱定标精度优于5%的仪器光谱分辨能力。该方法不仅在光谱定标精度上有所创新,而且还降低了实验室光谱定标的成本,简化了实验操作步骤,也是高光谱成像仪实验室光谱定标方法的创新,为高光谱成像仪的实际应用打下基础。3)本论文提出了一种基于反射率渐变的标准漫反射板的机载高光谱成像仪机上光谱定标方法。该方法针对由实验室和实际飞行环境的差异所导致的高光谱成像仪光谱状态偏移问题进行了深入研究,根据大气中氧气、二氧化碳和水汽对电磁波显著的吸收特性,通过构建模拟与实际等效入瞳辐亮度曲线的差异度函数,完成高光谱相机的机上光谱定标工作。该方法基于图像的非均匀性校正技术,修正了高光谱图像的smile光谱弯曲现象,使得基于小尺寸地面靶标的全视场光谱定标成为可能。4)由复杂类型地物所组成大气下垫面背景对机载高光谱成像仪的机上光谱定标结果有比较大的影响。本论文借助反射率渐变的人工地面朗伯靶标,实现了高光谱飞行图像的大气校正和地物的光谱反射率反演,并对不同类型地物的光谱反射特性对高光谱成像仪机上光谱定标结果的影响进行了深入分析,成功消除了复杂大气下垫面背景对基于大气吸收特征的机上光谱定标结果的影响,降低了机载高光谱成像仪的机上光谱定标不确定度,为高光谱图像的大规模应用打下基础。5)本论文采用基于反射率渐变的地面人工朗伯靶标的机上光谱定标方法,对数十万帧机上高光谱飞行影像的光谱状态予以校正,最终实现高光谱成像仪可见近红外模块的1倍σ机上光谱不确定度为±0.08 nm,2倍σ的光谱不确定度为±0.15 nm,3倍σ的光谱不确定度为±0.23 nm。短波红外模块的1倍σ在轨光谱不确定度为±0.13 nm,2倍σ的光谱不确定度为±0.25 nm,3倍σ的光谱不确定度为±0.38nm。本论文不再使高精度的在轨光谱定标局限于人工地面靶标的布设区域,实现了机载高光谱成像仪对整个飞行过程中光谱状态的监测,本文提出的在轨光谱定标方法的光谱定标精度优于十分之一光谱分辨率,有助于高光谱成像仪实际应用效果的提高。