动中成像模式可实现卫星在大角度快速机动过程中成像,满足遥感观测多样化、定制化、精细化需求。分析了动中成像地面实验系统的基本原理,并在实验室搭建了一套面向动中成像模式的地面实验验证系统。该系统采用高精度、高稳定的动态气浮靶标和基于外触发信号的相机积分时间调整方法。研究了成像质量和光强的关系以及成像质量和相机探测器积分级数、卫星机动角速度的关系,开展了自定义运动曲线的动中成像实验。结果表明,在相机探测器线性区内,不同机动角速度与探测器积分级数获取的图像动态调制传递函数(MTF)值的范围为0.0918~0.1054,满足工程应用(0.1附近)的要求,且MTF值与机动角速度、探测器级数无关。动中成像实验中系统运行稳定,动态MTF值在0.1015±0.0098之间。

对超敏捷动中成像遥感卫星角速度快(6 (°)/s)、角加速度大(1.5 (°)/s2)、成像参数随时空复杂多变等新问题, 开展了超敏捷动中成像特点分析与成像参数仿真分析工作。构建了动中成像复杂模型, 精确分析了动中成像合速度的变化规律。在此基础上, 结合信噪比、调制传递函数(MTF)等计算公式, 全面分析了不同成像条件下, 动中成像系统的行频、TDI级数、姿态稳定度MTF、同步误差MTF、偏流修正误差MTF等随角速度的变化关系, 为超敏捷动中成像卫星, 尤其是卫星的成像电子学, 提供了重要的设计依据。

超敏捷卫星动中成像模式相比传统推扫和敏捷机动模式,具有很大的效能提升和多种新型成像方式,但对空间相机在动中成像新模式下成像带来较大困难和挑战。首先分析超敏捷动中成像模式的原理特性,明确卫星快速机动过程中成像给空间相机对地观测带来的影响。然后开展动中成像下成像质量研究,以实际卫星可见光相机参数进行模拟分析,确立实现动中良好像质对速高比、积分级数的约束条件并进行参数优化设置。同时,对未来进一步提升动中成像下的成像质量提出攻关方向。研究成果对超敏捷卫星动中成像新模式下空间相机成像参数的确定具有指导意义,能够直接实现新模式下成像性能的大幅提升。

为了提高大视场空间相机物距、投射角、地面像元分辨率、幅宽等几何参数的计算精度，研究了星下点成像与侧摆成像时上述几何参数的精确计算方法。在全面考虑地球曲率和投射角的基础上，建立了相应的几何模型，改进了大视场空间相机几何参数计算方法。根据仿真分析，对于轨道高度650 km、半视场40°的空间相机，当侧摆20°时，垂直线阵方向像元分辨率的最大值是最小值的2.31倍，是传统计算方法的1.78倍；平行线阵方向像元分辨率的最大值是最小值的7.16倍，是传统计算方法的4.29倍；幅宽是传统计算方法的1.33倍。因此，传统计算方法存在较大的误差，提出的精确计算方法对于提高大视场空间相机成像质量具有重要意义。

人眼角膜前表面反射的杂散光是视网膜有效反射率的10～100倍，对人眼波前像差探测和视网膜高分辨率成像影响很大。为了有效消除角膜前表面反射杂散光，本文介绍并对比了偏振分束法、共焦滤波法、细光束离轴照明法和环形照明法等消除角膜前表面反射杂散光的方法。分析表明，这些方法虽然都可以在一定程度上消除杂散光，但均不够理想，而环形照明法和共焦滤波法相结合具有光能利用率高、消杂光效果好、简单易行等优点，是消除人眼角膜前表面杂散光的有效方法。

建立了一套基于LCOS人眼像差校正仪的成像CCD最佳像面随动控制系统, 使以往困扰该系统的寻找成像CCD最佳像面的问题得到解决。该最佳像面自动调焦系统采用步进-计算-比较的方式, 通过对相邻图像的模糊程度和一致性的对比, 可以在很短时间内找到接近最佳理论值的像面位置。使用该自动调焦系统, 医务人员可以更有效地发挥自适应系统在眼底视网膜观测领域的优势, 获取比传统眼底镜更有价值的眼底细微图像, 也可以进一步实现对多个小视场眼底视网膜图像进行拼接, 实现对动态大视场区域的实时观测。

为了精确测量人眼的高低阶像差，设计并搭建了一套人眼波前像差精确测量光学系统。该系统采用夏克-哈特曼波前探测器进行波前探测，可以在不同瞳孔、不同视场和不同调焦状态下精确测量人眼的波前像差。用ZEMAX软件对系统进行模拟分析，验证了该系统的探测精度，讨论了系统的调焦性能。用该系统实验分析了人眼各阶像差的分布情况、瞳孔大小和调焦状态对人眼波前像差的影响，以及人眼波前像差的时间和空间变化特性(变化频率约3 Hz，等晕角约为1.5°)。结果表明, 该系统精度高(PV <1/20λ)，操作方便，是人眼波像差的研究和个性化角膜手术的有力工具。

为了实现活体人眼视网膜的高分辨率成像，设计了一套视网膜成像液晶自适应光学系统来校正人眼的动态变化像差。基于开环双波段模式，分别采用夏克-哈特曼波前传感器(SHWS)和基于硅基板上的液晶空间光调制器(LCOS-SLM)来探测和校正人眼以及系统的波前像差；且分别采用近红外波段(790 nm)的超发光二极管和可见光波段(570 nm)的激光器作为波前探测和校正成像光源。系统采用离轴反射式结构来提高光能利用率，减小色差。用ZEMAX对系统性能进行了分析，证明设计的系统能够达到衍射极限，MTF@30 lp/mm为0.4(对应视网膜上4 μm)，MTF@50 lp/mm为0.16(对应视网膜上2.5 μm)。和闭环折射式系统相比，能量利用率提高1倍以上，且杂光和色差干扰小，成像对比度好。

设计了一套基于开环双波段模式的人眼视网膜成像液晶自适应光学系统。该光学系统分别采用夏克-哈特曼波前传感器和液晶空间光调制器来探测和校正波前畸变。探测波段采用830 nm近红外光,成像波段采用790 nm近红外光。采用开环模式以提高光能利用率和系统的稳定性,采用双波段模式以增大视场。新加入了瞳孔监控子系统和响应矩阵测量子系统,使系统更加灵活方便。介绍了系统的关键参数,并通过ZEMAX软件对光学系统进行模拟分析,认为系统可以达到接近衍射极限的效果。传递函数 MTF@ 50lp/mm达到0.25(对应视网膜上3 μm),满足设计要求。

针对已有的人眼视网膜成像液晶自适应光学系统的不足，提出了新的优化设计方案.新设计的系统能对不同视度下的人眼进行高分辨率成像.新系统还采用了瞳孔监控装置和成像区域快速精确定位装置，并且采用了改进的消杂散光方法，能够使探测准确度和定位准确度得到保证.研究证明，该系统新的设计方案操作方便、灵活，便于推广使用.