针对基于传统光学元件的成像光谱仪，在实现大视场与宽波段的同时难以满足结构紧凑的问题，在Offner成像光谱仪的第三反射镜引入圆锥曲面叠加条纹泽尼克多项式表征的自由曲面。基于矢量像差理论，分析了四阶以下的泽尼克多项式在系统中引入的像散与系统视场、波长的关系，通过选取合理的多项式叠加到圆锥曲面，设计了一款工作于可见光到短波红外波段（400~2500 nm）、体积仅42 mm×82 mm×100 mm的成像光谱仪。系统实现了双波段探测，来自两个不同宽度狭缝的光线经光栅分光后，通过分束器将工作波段分为可见近红外（400~1000 nm）和短波红外（1000~2500 nm），优化设计结果表明，光谱分辨率分别为2.8 nm和4 nm，成像质量良好，为实现宽波段紧凑型成像光谱仪的设计提供了理论参考。

针对无人机光学载荷宽视场、高分辨、轻小型、实时成像等需求，基于级联光学结构设计了一种折叠式级联相机光学系统。该光学系统主要由前置折叠同心物镜和中继转像透镜阵列组成。前置折叠同心物镜获取宽视场中间像，位于前置折叠同心物镜的同心球面上。中继转像透镜阵列对同心球面上的宽视场中间像进行视场细分、剩余像差精细校正和中继成像。优化设计得到了全视场角为109.6°、瞬时视场为7.8″，筒长仅为107 mm的折叠式级联结构相机光学系统。在全视场范围内，像面上各处光线追迹点列图的均方根半径均小于1.1 μm，在空间频率230 lp/mm处，各视场调制传递函数值大于0.4，系统成像质量接近衍射极限。这种折叠式级联结构无人机机载相机光学系统视场大、分辨率高、结构紧凑，可用于无人机遥感领域，在大视场范围内获得高分辨率光学像的同时，还可实现光学系统的小型化和轻量化，具有广阔的应用前景。

快照式光谱成像系统可实时获取运动目标的光谱图像,在动态目标跟踪和识别等领域有着迫切的应用需求。快照式光谱成像系统的光谱分辨率与空间分辨率相互制约,针对现有快照式分光成像系统数值孔径小、难以同时实现高光谱分辨率和高空间分辨率的问题,提出了一种基于Dyson同心结构的新型快照式分光成像系统,它具有数值孔径大、成像性能优和结构紧凑等优点;视场离轴和复杂化设计可在保持光学成像性能的同时,增大机械装调空间,具有很好的工程可实施性。优化设计得到的新型快照式分光成像系统的数值孔径达到了0.3,光谱分辨率优于0.54 nm,空间采样点数为112×24。这种高光谱分辨率和高空间分辨率的快照式分光成像系统可为研究对大视场内快速运动目标进行精确探测识别的快照式光谱成像系统提供重要的理论基础。

为了获取无缝的宽视场高分辨率遥感图像，提出基于分布度量和显著性信息的遥感图像拼接算法，主要针对图像拼接过程中的外点剔除、最佳缝合线检测和平滑过渡融合三个方面进行改进。首先，以内点在图像重叠区域的均匀分布程度为准则选取最优内点，以增强图像间的对齐程度；其次，利用图像直线信息和引导滤波确定图像显著性信息，避免缝合线穿过明显地物；最后，通过引导滤波对图像进行双尺度融合，利用空间一致性实现缝合线两侧图像间的平滑过渡。仿真结果表明：在外点剔除阶段，所提算法的互信息相较于RANSAC算法提高了1.93%，稳定性提高了46.55%；在缝合线检测和过渡融合阶段，所提算法的结构相似度（SSIM）相较于QESE算法提高了3.21%，峰值信噪比（PSNR）提高了2.55%。最终获得了亮度均匀、无重影的高质量宽视场高分辨率遥感图像。

基于对称前置同心物镜和中继转像透镜阵列设计的新型级联光学成像系统,是同时实现宽覆盖和高分辨率航拍作业的有效途径。针对超低空精准农情监测和精准施药需求,通过研究新型级联光学成像系统在超低空飞行高度下获取的最佳中间曲面像面面型及位置,研究并设计适用于超低空飞行高度的新型级联光学成像系统。在设计时,针对无人机(UAV)轻小型载荷需求,在系统中通过引入非球面来平衡轴外像差、减少镜片数量、缩短光学系统筒长。基于此,优化设计了飞行高度为20~80 m、焦距为60 mm、F数为3.4的无人机载宽覆盖遥感相机光学系统,其视场角高达132°,实现了地面宽覆盖,且成像性能优,为农用无人机精准高效农情监测提供了重要参考途径。

针对随机抽样一致性(RANSAC)算法在特征点匹配中存在的精度低、稳定性差等问题,提出了一种基于平滑约束和聚类分析的图像配准算法。首先,利用邻域匹配特征点的尺度信息及空间角度顺序构建平滑约束,将初始匹配点划分为高内点率的抽样集和高内点数的验证集;然后,通过反复抽样和模型检验求解暂定内点集,并对其进行聚类分析,根据聚类中心在图像重叠区域的分布质量选取最优内点集;最后,利用最优内点集求解模型参数,实现图像的稳健配准。仿真结果表明,相比RANSAC算法,本算法的配准精度提高了26.83%,误差标准差由0.68降至0.19。

针对机载相机广域高效航拍作业需求,采用新型级联光学成像结构,设计了一种宽覆盖高分辨率机载相机光学系统。该系统由对称前置同心物镜和中继转像透镜阵列组成,对称前置同心物镜获取剩余像差均匀的宽视场曲面像,中继转像透镜阵列对该曲面像进行视场细分、剩余像差校正及中继成像。所设计的机载相机光学系统焦距为60 mm、F数为3.4、视场角可达132°。基于一阶理论和像差特性,在不同飞行高度对地观测时,研究了机载相机光学系统的成像质量与宽视场曲面像的关系,获得系统在不同飞行高度实现清晰成像的方法。通过像质评价,结果表明,优化设计的系统在低空、中空及高空进行对地观测时,像面光线追迹点列图方均根半径均优于1.6 μm,在奈奎斯特频率为230 lp/mm处,调制传递函数均达0.4,系统成像性能优异且像质均匀。新型级联光学成像系统适用于不同飞行高度的机载相机。

针对光学成像系统景深范围有限、景深范围外目标成像模糊的问题, 提出一种区域方差和点锐度相结合的拉普拉斯金字塔变换图像融合方法。该方法首先对多幅源图像做拉普拉斯金字塔变换, 提取源图像在不同频率层的特征信息; 对金字塔顶层图像和其余各层图像, 分别采用区域方差和点锐度作为融合度量, 对其进行融合, 得到融合图像的金字塔各层系数; 最后进行拉普拉斯金字塔逆变换得到融合图像。仿真结果表明, 本文方法得到的融合图像主观视觉效果和客观评价指标均优于其他常用算法, 标准差、互信息和边缘保持度分别提高了0.24%、6.8%和8.4%。该方法有效降低了融合图像的噪声, 获得了更加丰富的边缘信息, 对实现光学成像系统在大视场范围获取高分辨率光学图像具有重要意义。

鬼像是逆光照明下影响光学镜头成像清晰度、对比度的主要原因，为减少其影响，研究典型匹兹万镜头的消鬼像问题。运用近轴矩阵光学理论，详细分析讨论匹兹万镜头的鬼像特性，给出抑制方法。根据使用要求，优化设计和研制了消鬼像光学镜头，像质评价结果表明鬼像能量低且分布均匀，具有接近衍射极限的成像性能。逆光照明下的成像结果表明，研制的镜头具有优异的鬼像抑制性能，验证了设计和分析的正确性。给出的鬼像抑制方法可用于其他光学系统。

光学压缩光谱成像方法通过拍摄所得的压缩图像重建景物的三维数据立方体，具有降低数据采集量、能对景物实施凝视拍摄以及提高成像信噪比等优点。受压缩成像方法的限制，由单帧压缩图像重建数据的保真度有限，限制了压缩光谱成像的图像质量和应用发展。基于压缩感知理论，拓展空间编码光学压缩光谱成像物理模型，在变编码空间光调制作用下实施多帧拍摄，经由多帧压缩图像采用最优化算法高保真的重建数据立方体。以AVIRIS成像数据构建模拟场景，开展多帧拍摄空间编码光学压缩光谱成像仿真，采用全波段图像均方根误差定量评价重建数据保真度。实验结果表明，多帧拍摄成像重建数据的保真度提高，图像清晰度提升，光谱曲线的偏差减小。