全天空成像仪的工作原理主要是利用多光谱成像技术对天空进行实时成像。它通过一个特定波长区间的光谱分解成若干个独立的、频率不同的光谱，并采用成像光谱仪来捕捉这些光谱信号，最终重建出目标区域的图像。由于气象云层和地表物体的反射光谱具有各自的特点，全天空成像仪能够利用多光谱成像技术有效区分不同天气现象的位置和强度。
具体来说，全天空成像仪通过仪器上方的照相机垂直向下拍摄带有加热装置的半球镜面，得到当时天空所呈现的图像。这些图像会被自动存储到计算机上，并进行云量计算和处理。大气和云粒子对可见光具有不同的散射原理，根据这些散射原理，可以从图像信息值（RGB值）中区分云与蓝天。因为RGB值在一定程度上反映了红、绿、蓝这三个波段的辐射强度，所以全天空成像仪能够通过对这些值的分析，来确定云层的厚度、高度和分布等信息。
总的来说，全天空成像仪通过多光谱成像技术和图像处理软件的分析和判读，能够捕捉到目标空域内的多种气象信息，包括云层、降水、积雪、冰雹等多种天气现象，从而实现对天空的实时监测和预警。