成像光谱技术是一种较为先进的对地光学遥感技术,主要体现在能够同时获取地物目标的空间与光谱信息,在精细土地分类、水质反演、矿产勘探、环境保护等方面具有重要应用。推扫式是当前星载成像光谱仪的主流成像方式,具有无运动部件、瞬时宽幅覆盖以及高信噪比等特点。受大动态范围与高信噪比无法兼具的限制,目前的载荷设计往往仅能满足海洋、资源环境或者大气等某个单一领域的监测需求。先进微电子技术的应用将突破此限制,使得所设计的系统具有高性能、应用场景多元化等优势,可以很好地满足多要素、多过程的综合性对地观测的研究需求。本论文针对需求提出一种逐像元多挡增益自切换光谱成像的设计方案,对其中的关键技术、系统设计优化及综合测试开展了相关研究。论文的主要研究工作和创新点如下所述:1)从工程原理上分析了动态范围与信噪比之间的矛盾,就推扫成像方式的限制,提出一种可行的设计方案——推扫式逐像元多挡增益自切换光谱成像。以定制级CMOS探测器的3-level TG技术为基础,利用光电荷无破坏读出的特点,通过一次曝光、多次读出的方式实现像元级的最优增益选取。以“2位增益码+14位DN值”的数据形式下传,地面根据增益码反推出定标系数,从而得到真实入瞳辐亮度。该系统可以实现四挡增益的像元级自切换,满足综合性遥感监测的高性能需求。目前国内外尚无此类星载成像光谱仪以及相关应用的报道,该设计方案具有一定的先进性。2)基于MODTRAN大气辐射传输模型和水体、植被、混凝土等多种地物类型的光谱数据,进行不同成像条件下的入瞳辐亮度仿真,分析了太阳高度角、水汽含量等因素的影响。根据成像系统参数,计算得出不同辐亮度对应的信号电子数,为前期系统设计提供参考。结果表明,场景动态范围上限约为2.5 Me-,从监测类型来看,可以粗略地将动态范围设为四挡,分别为积云和雪（7.62×10~4～2.01×10~6e-）、混凝土以及砂石等（2.13×10~4～8.03×10~5e-）、植被（1.68×10~4～2.92×10~5e-）、滩涂及水体（1.0×10~4～2.3×10~5e-）。另外,信号强度受太阳天顶角影响最大,水汽含量和能见度变化增加了水体等弱信号的动态范围,逐像元多挡增益成像可以很好地应对这些成像条件变化带来的影响。3)构建增益挡位及比例设计的约束条件,从整体动态范围、载荷信噪比指标、增益挡位切换对信噪比的影响、工程实现这几个角度分析了各级满阱电荷的设计对于系统信噪比和动态范围的影响。经过仿真后,可知对于相同的动态范围,多增益成像SNR优于单一增益,超过3～4挡后变化不明显。地物类型SNR变化受增益之间比例影响较大。当挡位个数为2～4个,比例为2～5.5时,设计满足成像要求。最终,确定四挡增益的满阱电荷分别为2.5 Me-（甚低增益）、600 Ke-（低增益）、120 Ke-（中等增益）、24 Ke-（高增益）。4)从像元拓扑结构及读出链路出发阐述了逐元多挡增益成像的特异性,分析多级乒乓读出、饱和DN值判断等环节对于成像噪声的影响。通过对时域噪声类型的分析,建立逐像元多挡增益光谱模式和通道模式下的泊松-高斯噪声模型,并基于该模型分析像元受噪声影响以低增益读出的概率分布。从电子学等多个角度分析系统空域噪声的来源及影响,着重研究了制造工艺误差引入读出链路的噪声影响,并提出诸如调整奇偶行采样时序、AB帧区分读出等切实有效的噪声抑制方法。最后,利用MWI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以及噪声对于目标纹理特征的影响。5)基于推扫式逐元多挡增益成像光谱仪的工程原理样机,进行暗场噪声、像元转换增益、动态范围、信噪比等系统性能测试,并就单挡动态范围偏小、PGA和多行合并对信噪比的影响、视场位置对光谱分辨率的影响等问题进行了分析。实验结果显示,该系统总动态范围达107.9d B,各波段典型辐亮度下的信噪比高于指标要求,最小光谱采样步长优于2nm,总体性能优良。对固定增益推扫图像,比较分析了两点法、矩匹配等多种方法的非均匀性校正效果。考虑到实验室绝对定标可以将DN值转化为辐亮度的同时,消除空间维非均匀性响应对于多挡增益图像融合的影响,选择以逐像元定标系数拟合的方式进行多挡增益融合和非均匀性校正。