导光式共孔径光电成像系统具有转动负载小、多波段共孔径，可实现静密封等特点，目前被广泛应用于多种平台的光电设备。但其相对于转塔式光电设备而言存在像旋问题。转塔式光电设备的光轴相对误差在不同方位、俯仰角度时保持不变，故可直接通过给跟踪视轴一个固定的拉偏量，以保证各视轴的统一。导光式共孔径光电设备由于像旋的存在，其光轴相对误差在不同方位、俯仰角度时并不一致。以导光式共孔径光电跟踪设备的典型光路为研究对象，分析了由于像旋导致的光轴相对误差变化规律，给出了补偿公式并进行了实验验证，将导光式共孔径光路的光轴相对误差由约192″(RMS)补偿到约15″(RMS)。结果表明本文推导的近似公式可有效补偿导光式共孔径光路的光轴相对误差。

为了揭示反射式二维快速控制反射镜在光学系统中引起的图像旋转规律, 为光学消旋提供数学模型, 构建了反射式二维快速控制反射镜典型应用。利用空间矢量绕轴旋转的数学分析方法和平面镜反射成像规律, 建立了反射式快速控制反射镜典型应用场景的反射像矢量模型。根据反射像矢量模型给出了观察平面内的图像旋转数学模型, 分析了二维快速控制反射镜单轴、双轴扫描时图像旋转的数学模型及其物理成因, 并给出了像旋角仿真结果。为基于反射式二维快速控制反射镜光学系统的光学消旋奠定了理论基础, 并提供了精确的数学模型。

为定量分析动态漂移时的像旋对成像质量影响的程度,基于动态环扫成像理论,建立一种静态影像与动态漂移间的融合模型。然后结合面阵CMOS相机成像特点与动态运动特性,提出对像旋矢量进行分解处理再融合的仿真模拟方法,设计了一种动态环扫画幅影像像旋仿真分析方法,获取了不同动态成像参数下的模拟影像。最后利用成像幅宽、地面分辨率、成像系统信噪比、峰值信噪比及结构相似性等指标对模拟影像进行定量评估分析。仿真结果表明,相机曝光时间越长,成像系统信噪比越高,像旋越大,成像质量越差,结构相似性越小。研究结果可为未来多种动态成像模式设计中减小像旋影响、提高相机成像质量提供有效的参考。

与传统的二维指向镜系统不同, 基于压电陶瓷的反射镜系统控制精度要求高, 反射镜的反射面与三维坐标系的X轴平行, 难以求得简单的解析表达式。为了解决这一问题, 对反射镜系统中的光轴偏和像旋特性进行分析研究。从光学反射矢量基本 理论出发, 建立二维指向镜数学模型, 根据目标偏转角解耦得到指向镜的方位角和俯仰角, 模型采用数值解并提出数值解的 约束条件。仿真实验结果表明: 二维指向镜偏转误差远小于系统瞬时视场角; 最后分析二维指向镜旋转引起的像旋问题, 实 验测得像旋误差小于0.01°。满足系统的精度要求, 为像旋校正提供理论依据。

为更精确地分析别汉(Pechan)棱镜的制造和安装误差对成像光路光轴的影响, 使用四元数对其进行了误差模型建立。获得了将其复杂反射过程等效为绕某个法向量旋转的一次简化模型。该模型完全保证了当光轴与别汉棱镜入射面存在一定误差角度时, 对出射光轴的偏转影响特性。模型的推导利用了四元数在表示旋转运动时的优势, 将复杂的三角函数运算简化为代数运算, 公式简洁、物理意义明确。将5次反射计算与4次旋转计算简化为1次等效反射运算, 为使用别汉棱镜消像旋的光路误差模型推导提供了有效的简化数学模型。

我国正处于海洋高频观测的发展阶段，作为海洋观测的一个重要途径，静止轨道海洋成像辐射计的发展具有重要的战略意义。本文分析了静止轨道二维指向面阵成像光学系统所引入的像旋误差，提出了针对面阵误差的图像消旋算法，并且给出了消旋算法有效性的验证方法。经验证，本文提出的消旋算法，消除了39%像面旋转的影响，可以大大提高二维指向成像的地理定位精度，提升遥感仪器的准确度，因此本工作为二维指向面阵成像系统后续图像处理奠定了基础。

为了解决传统光电侦察平台外露球形结构增大飞机雷达散射截面的问题,提出一种采取双反射镜绕俯仰轴和方位轴旋转实现大角度扫描的方法,该扫描方式的外露尺寸小,可与载机进行共形设计以保证飞机隐身性能。基于光反射矢量理论,对扫描系统成像特性进行了研究,对双反射镜绕俯仰轴和方位轴旋转所产生的像旋进行了定量分析,得出了像旋角大小和方向与双反射镜旋转角度和方向的确切关系,并以此作为像旋补偿的理论依据,提出一种通过控制消旋棱镜消除像旋的双向控制方法,实现扫描镜与消旋机构的严格协同运动。通过成像实验进行了验证,消除了所产生的像旋,计算可得消旋精度均方根值小于8',实现了较高精度光学消像旋。