高光谱遥感的兴起是20世纪80年代遥感技术发展的主要成就之一,是当前遥感的前沿技术,因其具有光谱分辨率高、光谱波段数多、信息量丰富等特点,可广泛应用于地质勘查、海洋研究、农业生产等诸多领域,已得到国内外的青睐。机载光谱仪相比于空间光谱仪,具有成本低、使用方便、机动性能好等优点,国外的机载光谱仪研制技术发展较早,目前已有诸多成熟产品占据市场,如美国的AVIRIS,澳大利亚的HyMap,加拿大的CASI、SASI、TABI等;国内对于航空领域的高光谱成像仪器也有长足进步,但市场成熟产品较少,难以满足人们对高光谱成像技术的应用需求,阻碍限制了高光谱成像技术的应用推广。所以研究效率高、稳定性好与环境适应性强的机载摆扫式高光谱成像仪具有重要的工程意义和使用价值。本文以机载摆扫式高光谱成像仪为研究对象,为满足机载摆扫式高光谱成像仪对扫描频率、光学系统面形误差以及力学适应性等要求,对高频摆扫方法、反射镜组件以及主体结构的集成优化方法以及与振动环境下的系统MTF验证方法进行了研究,开展的主要研究工作如下:首先,介绍了地矿行业对机载光谱成像仪器的应用需求,并完成了总体参数设计,确定了仪器成像方式为摆扫成像,介绍了仪器组成以及前置光学系统的主要作用,给出了前置光学系统的光机系统初始设计以及指标要求,为之后的光机系统集成优化设计提供指导。其次,采用高频摆扫方式提高成像视场,为满足摆镜高转速频的要求以及针对降低摆扫机构高转动速度带来的不利影响,从摆扫运动形式、摆镜角度、反射面数量、轻量化手段等方面对高频摆扫方法进行了研究:通过分析常见摆扫机构确定了摆扫运动方案;通过计算摆镜反射区域与旋转轴偏离量的关系,并对不同数量反射面数量下的体积、质量等进行分析,提出一种采用三面反射镜的高频摆扫方法,并设计了一种围绕旋转轴布置三面反射镜的摆镜结构形式,该结构关于旋转轴对称,能有效降低高转速下摆镜静平衡与动平衡校正的难度,并提高了扫描周期内的角度利用率,有效提高了摆扫周期内成像时间的占比;通过拓扑优化与光机集成优化等方法在保证摆镜面形精度的同时对其进行了最大幅度的轻量化处理;最终提出的高频摆扫方法能够高达到30Hz的扫描频率,远高于现有的研究水平,同时还具有面形精度高、质量低、力学特性好等优点。再次,针对反射镜镜面面形受重力与装配应力的影响大的问题,完成了对反射镜及其柔性支撑结构的光机集成优化方法的研究,并详细叙述了如何通过光机集成优化的方法降低反射镜自重变形以及装配应力对镜面形状误差的影响。通过理论分析确定镜体及其柔性支撑结构中对镜面面形精度产生影响的关键参数;利用参数化建模的方法实现模型关键参数的快速修改;建立反射镜组件的最优化函数,并通过对最优化函数的求解,使反射镜面形RMS值在重力载荷与装配应力的影响下满足λ/20的要求。最后,针对主体结构的低质量、高动力学环境适应性等需求,研究了面向机载振动环境MTF的结构设计理论与多变量集成优化方法,并提出了结合灵敏度矩阵法与有限元法计算振动环境下光学MTF的验证方法。提出了机构采用框架式与薄壁筒式结构相结合的结构形式,将遮光罩与薄壁筒结构一体化设计,保证刚度的同时降低质量节约空间,可设计性强,可应用于离轴光学系统;利用多变量集成优化方法对主体结构进行优化设计,在质量基本不变的情况下提高模态;通过数值建模仿真计算的方法证明了机载平台振动环境对所优化的光机系统MTF几乎不产生影响;同时分析了本结构的适用范围,结果表明该结构能适用于像元尺寸大于10μm的机载系统;最终通过试验说明主体结构优化设计方法的正确性与有效性,能满足航空光谱遥感的应用需求。本文完成了可用于大视场高光谱成像系统中的高频摆扫方法、反射镜组件以及主体结构的光机集成优化设计方法的研究,能为结构的最优化设计提供方法与参考,对推动探测效率高、稳定性好、环境适应性强的机载摆扫式成像光谱仪的发展与应用具有重要价值。