为了验证变焦扫描大幅宽成像时扫描方向边缘视场图像畸变的矫正效果, 并降低扫描镜控制难度。 首先分析了变焦成像时扫描镜扫描速度与扫描视场角间非线性变化关系; 针对扫描镜变速扫描稳定性低且控制难度大的问题, 在结合探测器变帧频分析与实现的基础上, 提出采用扫描镜匀角速度扫描结合探测器变帧频变焦成像方法。推导了扫描镜匀角速度扫描时, 光学系统焦距、相机实时帧频与扫描成像视场角的关系式。最后基于课题组已有的可连续变焦长波红外光学系统, 搭建了一套基于扫描镜扫描成像的大幅宽长波红外变焦实验系统, 并利用该系统进行了成像验证。成像结果表明, 采用变帧频结合变焦成像方法, 可有效抑制大幅宽成像时扫描方向边缘视场图像畸变问题。变帧频成像方法降低了变焦扫描时扫描镜扫描复杂度, 证明了变焦扫描方法具备图像畸变矫正能力。

本文以空间超大幅宽低畸变红外变焦扫描成像系统为研究对象, 分析给出地面畸变与成像系统瞬时视场角的关系, 提出变速扫描成像并推导了扫描角速度公式。为解决匀速360°旋转扫描效率低和双向摆动扫描成像需安装扫描线矫正器所导致的系统复杂性高、可靠性低的缺点, 设计了一种正弦加速度快速回扫的方法。对变速扫描以及正弦加速度快速回扫方法进行了仿真及实验, 结果表明扫描控制系统慢速扫描与快速回扫之间状态切换稳定, 扫描起止角度误差仅为1.44角秒, 扫描速度稳定度为±0.5%, 扫描成像过程时间误差为83 μs, 回扫时间误差为250 μs, 整个扫描周期时间偏差小于1倍像元积分时间(355 μs), 扫描效率达86%, 在提高了扫描效率的同时减小对扫描机构的冲击与振动, 满足成像要求。正弦加速度快速回扫方法对机载红外扫描成像系统快速回扫运动设计也具有一定指导意义。

为了探测地球大气中的温室气体含 量，设计了4种空间分辨率为2 km、地面刈幅宽度为500 km、轨道高 度为690 km的气体探测仪光学系统。4个波段的中心波长分别 为1.606 m (弱CO2)、1.660 m (CH4)、 2.064 m (强CO2)和0.765 m (O2)； 光谱分辨率分别为0.08 nm/20000、0.08 nm/20000、 0.1032 nm/20000和0.045 nm/17000。 整个光学系统由浸没式平面衍射光栅、利特 罗式光学结构以及前置系统构成。该系统在奈奎斯特频 率处的调制传递函数(Modulation Transfer Function, MTF)值 接近80%，且单个像元尺寸内集中了接近90%的衍 射能量，可以实现高光谱探测。

合成孔径激光雷达(SAL)是作为未来远距离高分辨率对地区域观测的理想方式。针对传统的单发单收合成孔径激光雷达系统中高分辨率和宽测绘带的矛盾导致测绘带宽窄的问题,提出一种多发多收合成孔径激光雷达工作体制,该体制工作在低PRF模式,保证了距离向测绘带的不模糊,在方位向采用了多通道技术,利用虚拟孔径和真实孔径结合实现了方位向的多普勒不模糊。通过自适应波束形成将多通道数据合成大带宽无模糊数据,实现高分辨率宽测绘带成像。首先简述了方位向多通道技术提高方位向分辨率的原理; 随后提出了多发多收合成孔径激光雷达的工作体制,并且给出了该工作体制下的信号模型,针对低脉冲重复频率条件下的多普勒模糊问题,提出了基于自适应波束形成解模糊信号处理方法。最后,通过三发三收体制验证多发多收合成孔径激光雷达工作体制的可行性。

合成孔径激光雷达（SAL）能实现远距离目标的高分辨成像，但是，其测绘带宽一般很小，不利于其在对地观测中的应用。针对这一问题，给出了宽测绘带SAL 实际成像范围的建议，具体研究了采用方位向短、距离向长的非对称光斑照明实现宽测绘带SAL 的成像处理问题。采用波动光学衍射理论，给出了这种宽测绘带SAL 的详细成像理论描述和数学仿真成像演示。结果表明，由于光学的短波长特性，非对称光斑照明的宽测绘带SAL 也近似遵循基本SAL图像形成方法：傅里叶变换实现距离压缩，匹配滤波实现方位图像聚焦。

机载MIMOSAR在增大可照射场景范围的同时，也会带来距离空变性问题，使得现有算法在大场景模型下会出现各种误差。基于正侧视大场景模型，对上述问题进行详细的推导分析，指出成像场景测绘带宽变大而导致的失配现象是产生误差的主要因素，并提出了一种机载高分辨率大场景成像算法。理论分析和实验结果验证了该方法的有效性。