为了解决凝视遥感云场景序列图像的亚像素抖动量求解问题, 提出了基于灰度线性建模的亚像素序列图像抖动量计算方法。首先, 利用三参数线性模型描述像素及邻域灰度, 提出了一种图像灰度的线性建模方法。其次, 以序列帧图像相对参考帧图像的抖动量作为线性模型中的优化变量, 以参考帧图像与序列帧图像之间的相似性为优化目标, 建立了亚像素抖动量解算的最小二乘优化方法, 并推导得到了解析计算公式。最后, 利用云场景序列图像进行了算法仿真验证。结果表明, 该方法抖动量的计算误差小于0.1 pixel。将该方法与传统基于特征点的配准算法进行了比较, 结果显示该方法具有较高的抖动量计算精度, 可应用于遥感图像几何定标、目标定位以及时序图像中目标多帧关联检测等。

为了深入研究物方扫描机构与点目标探测性能的关系，定义了度量扫描机构运动特性的扫描非均匀性指标。根据扫描成像的物理过程，建立了线阵探测器扫描成像模型，并以目标信噪比为核心分析了TDI探测器下扫描非均匀性的影响。首先，根据物方扫描工作特点设置了与扫描机构工作方式相配合的探测器积分时序,并建立了扫描非均匀性度量参量；其次，在经典成像模型的基础上建立了符合积分时序和TDI工作原理的点目标成像模型，并结合探测器噪声模型和TDI工作原理推导了目标信噪比计算公式，通过该公式分析了不同光学系统、TDI级数及目标尺度条件下目标信噪比与扫描非均匀性的关系；最后，从保证能够目标检测性能的角度给出了在相对信噪比限制条件下扫描非均匀性上限。所建立的成像模型准确反映了扫描探测系统各部分特性，分析结果对探测系统的总体设计和指标分配具有指导意义。

为了解决多光谱成像系统的轻小型设计难点，采用单探测器多谱段成像方案进行了同时刻四谱段成像系统的光学系统设计。分光原理为，在物镜组前方设置四片楔形滤光棱镜，并在棱镜表面镀上透过不同谱段的透过薄膜；物体辐射经过棱镜后不同谱段的辐射发生不同方向的偏折，即在焦平面的不同位置形成了分离的光谱像。设计过程中，采用渐晕的方法解决谱段间的重叠问题。设计得到的光学系统波段数为4，工作波长为8.20~8.60 μm、9.40~9.80 μm、10.60~11.20 μm及11.20~12.20 μm，焦距为55 mm，全孔径为80 mm，光学系统的弥散圆直径小于40 μm，并分析了系统的像差特性。分析结果表明，该系统具有良好的成像质量，满足多谱段成像要求。

提出了依据复原处理来优化设计遥感成像系统的思想。对影响复原处理性能的主要链路环节因素及其关系进行了理论分析、半物理和仿真实验以及正交试验。通过复原问题的数学模型, 从理论上提出相机调制传递函数(MTF)的空间变化性(MTFSV)、数据压缩比(CR)和非均匀性校正残差(NCR)是影响空不变复原处理的主要因素; 然后通过搭建半物理平台和仿真实验, 分析上述因素导致的处理误差对复原图像判读质量的影响; 最后利用组合数学理论, 通过MTFSV、CR、NCR多因素多水平图像复原的正交试验, 建立它们与处理性能间的关系量表。实验结果表明: 在遥感成像系统MTFSV小于10%、CR小于4∶1、NCR不大于3%, 而系统MTFN仅为0.07的情况下, 采用空不变复原处理仍可提高图像MTF面积达70%以上, 且能保持图像信噪比(SNR)不变, 而处理误差所致的图像失真也不会影响判读质量。

为表征在轨卫星的自旋稳定、三轴稳定和“翻滚”三种运动状态，提出了一种基于可见光时序多谱段信号分析的目标运动状态辨识方法，分析了目标运动状态与观测星探测视场内时变的目标表面材料间的对应关系，以及材料属性/种类与时序双色比聚类信息之间的关联性。提出了基于时序双色比特征高斯混合聚类的目标表面材料种类判别算法以及目标运动状态辨识算法。综合考虑卫星的背景特性、材料特性、结构特性、轨道特性，对三种运动状态卫星的多谱段信号进行了数学仿真，对目标运动状态辨识算法进行了验证，证明了所提出算法的有效性。

针对全色CCD光学遥感卫星成像平台,提出了一种基于多属性融合的高分辨率图像云检测方法。首先根据云的物理特性和成像特性展开多属性分析,并提出了基于可分离度的特征选择准则来进行特征参量提取;然后针对两类样本的分布结构差异,结合LDA线性特征压缩算法,削减特征空间的维度;最后利用SVM分类器完成云检测。实验结果表明,该方法适用于高分辨率全色遥感图像的云检测,具有较高的检测概率和较低的虚警概率以及较高的算法执行效率。

通过对传统双波段目标模拟器的工作原理进行分析，针对其结构复杂以及生产成本较大的问题，提出一种只使用一套景象生成器和投影系统的双波段目标模拟器设计方案。利用分振幅的方法，通过滤光片和遮光片的遮挡滤光作用使2个波段的能量按特定的比例透过，在特定的积分时间下，探测器探测到2个波段的能量比不同，以此模拟不同红外目标。对设计方案中的投影系统进行光学设计，光学系统属于透射式，工作波段在3.3 μm~3.8 μm和4.4 μm~4.8 μm，F数为3.2，半视场角为1.1°，系统分辨率达到10 lp/mm，对300 K~3 000 K的黑体、灰体或选择体均可实现红外目标的模拟，同时模拟器产生的辐射能量也大于探测器探测到的最小能量，设计方案可行。

为了提高扫描成像系统对于点目标的探测性能, 提出了时－空过采样点目标探测体制, 并对其进行了目标检测性能分析.首先, 分析了单采样体制在点目标探测中易存在跨像元导致的目标能量分散问题, 以及探测器随机高强度噪声及空间质子流尖峰信号导致的虚警问题; 然后, 提出了用于点目标扫描探测的时-空过采样体制.最后, 基于图像信噪比对相同光学系统下单采样和时－空过采样系统的目标检测性能进行了比较分析.分析结果表明, 通过采样方式能够实现目标能量集中到一个像元, 保证了图像信噪比需求.通过高分辨率融合使得目标尺度大于噪声及尖峰的尺度, 目标尺度最大扩展至3×3像元, 基于目标空间相关的处理可以有效降低了虚警, 提升系统检测性能.

从点集相关性的角度提出了一种新的模板边缘图像匹配度量--投票加权累积度量(WVAM), 在该度量中融入了抗几何畸变以及抗杂点与相似区域干扰的机制, 能够实现异源情况下模板边缘图像的匹配定位。为了进一步提高WVAM匹配的单相关峰特性, 转换点的坐标投票为局部结构信息投票, 形成了融入局部结构相似性的投票加权累积度量(LSS-WVAM), 该度量能够表征模板边缘图像与待匹配区域的整体结构相似性, 更具有稳健性。在仿真实验中利用全局与局部度量信噪比作为评价指标, 证明了WVAM具有比LTS-HD(Least trimmed square Hausdorff distance)更好的全局单峰与局部梯度特性。与WVAM相比, LSS-WVAM在全局和局部性能上约提高30%和4%。

综合考虑卫星的背景特性、材料特性、结构特性和轨道特性，研究了在轨运行卫星存在的自旋稳定、三轴稳定和“翻滚”三种运动状态对卫星光学特性的影响。基于光辐射理论，结合探测器的性能参数，建立了自旋稳定、三轴稳定和“翻滚”三种运动类型卫星的多谱段光学特性计算的数学模型，并进行了实验验证。以海洋一号卫星和实践二号卫星为例，进行了运动状态对卫星多谱段光学特性影响的仿真分析。仿真结果表明，不同运动状态的卫星多谱段辐射特性存在较大的差异。分析结果可为卫星的探测和辨识提供一定的参考价值。