针对传统的非均匀校正算法难以校正偏振成像的非均匀问题, 提出了一种新的矩阵校正算法。分析了偏振成像与非偏振成像的非均匀性的不同表现, 阐述了微偏振片阵列成像的非均匀产生机理, 指出了采用非偏振成像非均匀校正方法的失效原因。在构建偏振成像系统对入射偏振光源的响应模型基础上, 提出了矩阵校正法。实验部分给出了矩阵校正法对均匀偏振场本底图像和信息丰富场景图像的校正效果, 定量分析结果表明, 矩阵校正法将均匀本底图像的非均匀性降至校正前的10%左右。

在传统红外图像非均匀性校正方法中，探测器均处在常温环境下，当探测器的环温在一个较宽的范围内变化时，这些方法的校正效果便会恶化、不适应。针对此问题，本文在原常温多点标定法的基础上提出了一种基于曲面拟合的校正方法，把原先标定曲线加上探测器环温维度扩展成标定曲面。随后的纵向对比实验和横向对比实验表明该方法能够显著降低非均匀性，并能适应环温变化的情况。

针对2.5Ma条件下气动光学传输效应对红外成像的影响进行机理分析。利用有限元仿真得到头罩外流场的温度、压力、空间分布形态的参数。在此数值仿真基础上, 提出将头罩外流场等效为气体透镜的方法, 计算透镜的折射率和焦距及其对原红外成像系统焦点位置的改变量约为49.66 μm, 此改变量小于焦深, 则外流场对红外光线传输的影响基本可以忽略, 成像不会产生模糊。测量风洞实验拍摄到退化图像的调制传递函数（MTF）与红外探测系统的MTF相差很小, 验证了对气动光学传输效应机理分析的正确性。

背景辐射噪声是弱信号检测面临的难点问题。提出了一种显著提升信噪比实现匀速运动弱目标的有效检测算法。建立目标坐标空间和速度空间，以不同速度矢量控制图像叠加，形成提升了信噪比的新的图像序列并构成图像空间；利用恒虚警判决法在图像空间中检测候选目标点；根据候选目标点所对应的坐标向量和速度向量分别映射到坐标空间和速度空间，由两个空间中出现的峰值判定目标点。实际红外成像系统实拍实验表明，算法能将信噪比提升至接近原图的n^1/2倍，目标检测概率和虚警概率都明显优于所对比的弱目标检测算法。

为了定量评价和合理设计偏振滤波抑制大气背景光的金属光栅(WG)偏振片，提出了WG 偏振片效能表征模型。该方法利用严格耦合波(RCW)理论计算了WG 偏振片的TM 和TE 偏振透射率，并结合偏振滤波抑制大气背景光的效能计算模型，提出了在给定光栅材料与结构参数条件下面向大气背景光抑制的WG 偏振片效能表征方法。借助该方法，计算分析了一维矩形WG 偏振片的大气背景光抑制效能，结果表明：WG 偏振片采用金(Au)、铜(Cu)材料抑制大气背景光的效能优于银(Ag)、铝(Al)和铬(Cr)金属；随着线栅高度的增加，WG 偏振片抑制大气背景光的效能提高，较优的线栅高度取200 nm 以上；较优的线栅周期范围为200~300 nm；随着线栅占空比增大，WG 偏振片抑制大气背景光的效能提高。结合目前偏振片制备工艺，设计了面向大气背景光抑制的一维矩形WG 偏振片，其中光栅材料为Cu金属、基底材料为二氧化硅(SiO₂)、占空比为0.5、周期为250 nm、高度为200 nm。

调制传递函数(MTF)是设计和评价光电成像系统的重要参数，在证明了边缘图像的边缘扩展函数与累积直方图逆函数存在着线性关系的基础上，提出了一种基于统计直方图的MTF测量方法，设计了包括光学系统和探测器的仿真实验，搭建了包括积分球、靶标、平行光管和数字摄像机等装置的物理实验平台，以光电成像系统的设计参数和理论模型得到的理论曲线为参考依据，通过仿真实验和物理实验验证了该方法的有效性。实验结果表明，与传统MTF测量方法相比，该方法克服了成像探测器欠采样引起的相位效应，对刀口倾斜角度变化和噪声具有稳健性，可测量超过采样频率的响应特性。