提出面向成像系统的光学和数字图像处理联合优化设计.根据泽尼克多项式模型分析了每种像差对成像清晰度的影响; 在变分贝叶斯框架下, 提出了基于加权双向差分先验模型的像差数字校正算法; 将像差分为易于数字校正和不易于数字校正两类, 建立基于像差选择性校正策略的光学-数字处理联合设计方法.采用联合设计方法设计了三镜片大像差光学系统, 其奈奎斯特频率处的MTF值约为0.50, 采用传统方法设计的六镜片光学系统MTF值约为0.53, 两系统成像质量相当, 本文方法可降低系统复杂度.

基于反/折射球面罗兰圆建模和宽波段Dyson象散校正方法, 解释了大相对孔径高光谱分辨率的Dyson光谱成像系统存在的大工作距设计难题。 从工作距的角度, 比较了已有文献中报道的三种Dyson光谱成像系统改进思路。 在大工作距要求下, 采取第一种思路, 即在传统型Dyson光谱成像系统结构基础上, 引入球面弯月透镜和平面-非球面透镜。 建立了平面-非球面校正透镜的三阶像差模型, 给出了改进型Dyson光谱成像系统。 设计结果表明: 改进型Dyson光谱成像系统具有12 mm工作距, F/1.8相对孔径, 在0.38～0.9 μm谱段范围内光谱分辨率约为0.45 nm, 以及接近衍射极限的优良成像性质, MTF在全波段全视场100 lp·mm-1线处大于0.7, 最大像面均方根值半径小于1.2 μm。 同时, 系统的Smile(谱线弯曲)和Keystone(色畸变)得到了很好的控制, 保证了获取光谱数据的一致性。 改进型Dyson光谱成像系统具有大相对孔径和高光谱分辨率的特点, 而且系统焦平面探测器和系统入射狭缝两者的彼此间隙位置合适, 易于装配。 解决了传统型Dyson光谱成像系统实际应用中工作距不足的问题, 可为大气遥感、 农林调查、 海洋生物等领域的高光谱成像信息探测提供一个新型的高光谱成像系统, 对光谱成像系统的发展具有良好的促进意义。

针对探测器奈奎斯特频率不足和光学系统点扩展效应造成的成像系统像质下降问题，在频域框架下提出一种改进的多帧图像超分辨率增强方法。在图像序列配准方面，考虑了频谱混叠和插值变换等因素对图像频谱相位差的影响，建立了更准确的亚像元位移提取模型；在图像复原方面，基于同步纹理自回归先验，建立了图像的联合高斯分布模型，并结合贝叶斯方法对插值重建结果进行复原。实验表明，该方法较为全面地考虑了像质下降因素，具有较好的超分辨率增强效果，且计算复杂度较低。

从图像复分光谱成像系统的图谱输出理论模型出发, 对已有16波段系统进行改进, 研究了大相对孔径和结构紧凑型系统.模拟实现了16波段成像的整体设计与优化, 对棱镜分光易造成图谱图像区域混叠问题进行了分析.采用光谱成像系统匹配结构形式, 利用Zemax-EE的多重结构特性, 设计了视场为±1.25°, 相对孔径达到1∶3, 系统结构尺寸约为220 mm的图像复分光谱成像仪系统, 且各个波长光学传递函数值均大于0.75.与已有等同空间分辨率的16波段图像复分光谱成像系统比较, 所设计系统结构紧凑、衍射极限和通光能力明显改善、光谱质量大幅提高, 可满足小型化需求.该研究为新型快照式光谱成像技术的理论研究和图像复分光谱成像仪的光学系统设计提供了依据.

采用光路展开法, 利用调制度与相位误差两种判据, 分析平行转镜在转动过程中的晃动、平行转镜的平行度、定镜的倾斜误差以及视场角等因素对平行转镜式光谱仪误差容限的影响.分析表明：平行转镜的晃动是平行转镜式光谱仪最重要的影响因素, 但由于平行转镜的连续快速转动, 惯性的作用会显著降低转动过程中的晃动影响；系统对平行转镜的平行度不敏感, 对定镜的倾斜与视场角的误差容限与传统迈克尔逊式光谱仪相同.相对于传统直线往复运动式的光谱仪, 平行转镜式光谱仪具有更高的探测速度与稳定性.同时, 误差容限分析也为该光谱仪的系统设计与装调提供了理论指导.

为了限制多光谱相机中滤光片与探测器靶面之间存在的光谱混叠区域的大小, 提高像元利用率, 详细设计了滤光片阵列.不同于在轨运行时的状态, 实际地面实验测试时滤光片阵列承受较大的内外压差, 面型发生变化, 可能对多光谱相机成像质量造成不良影响.根据有限元分析方法详细分析了滤光片阵列在这种情况下的变形, 利用Zernike多项式拟合形变面型附加于Zemax中原滤光片阵列面型上, 考察多光谱相机光学系统调制传递函数的变化.结果表明: 在内外压差的作用下, 系统调制传递函数未出现明显变化, 可以忽略滤光片阵列表面变形对多光谱相机光学系统成像质量的影响.

从断裂力学的角度进行分析，在考察断裂强度的基础上，对机载多光谱相机光学窗口的厚度进行了详细的设计。相关分析解决了光学窗口厚度的工程设计问题，使光学窗口的设计更加合理可靠。同时，结合窗口工作环境，利用有限元方法计算其稳态温度场分布，再结合分析结果中的温度载荷和相关的广义力载荷，计算光学窗口在力热耦合情况下玻璃表面的变形。利用Zernike多项式对最终变形值进行拟合，得到变形后的光学窗口面形，输入到Zemax软件中，以波像差和调制传递函数(MTF)作为光学系统成像质量评价指标，分析了在这种工作环境下光学窗口变形对多光谱相机光学性能的影响。结果表明，在已知的环境条件下，窗口变形对系统成像质量的影响可以忽略。

考虑到机载遥感平台对成像光谱仪小型化、 轻量化要求的逐渐提高, 在分析了主要几种成像光谱仪特点的基础上, 重点阐述了技术成熟度较高的光栅色散和棱镜色散型成像光谱仪, 研究了基于Offner中继成像结构的紧凑型成像光谱系统。 结合Offner同心光学系统成像特点, 在给定系统指标的情况下, 设计出了两种在发散和会聚光束中使用色散元件的全球面光谱系统, 给出了系统的调制传递函数、 点列图以及系统谱线弯曲、 色畸变曲线。 结果表明, 两种结构的Offner成像光谱仪, 实现了遥感仪器小型化的目的, 具有接近衍射极限的优良成像性质。 同时, 很好地控制了系统的谱线弯曲和色畸变, 保证了获取光谱数据的一致性。