为了消除面阵CMOS航空相机高速成像时帘幕快门效应对成像质量的影响, 分析了CMOS成像原理, 开展了基于高速中心式机械快门与面阵CMOS图像传感器协同工作的全局曝光成像模式研究.建立了该成像模式下的航空高分辨率成像系统的信噪比模型与前向像移模型, 并基于信噪比模型与前向像移模型论证存在合理的曝光时间参数.设计了体积小、质量轻、电驱动、曝光时间可准确控制的高速中心式机械快门, 最短曝光时间可达1/2 000 s, 快门效率最高达80%.对采用自主研发的国产CMOS图像传感器的航空摄影相机参数进行验证计算, 并进行直升机载人带飞拍摄实验.影像结果表明: 该成像模式曝光时间参数论证正确, 影像无拉伸、扭曲及拖尾现象, 相机动态传递函数为0.21(奈奎斯特截止频率处), 能够满足实际应用需求.

为补偿面阵测绘相机航摄成像过程中的前向像移,设计了采用压电陶瓷驱动器直接驱动焦平面组件的前向像移补偿系统,给出了前向像移补偿系统工作时序.压电陶瓷驱动器工作于位置闭环模式,通过斜坡递增设置压电陶瓷驱动器位置给定,使压电陶瓷驱动器驱动焦平面组件以期望速度移动,补偿前向像移速度.实验结果表明,前向像移速度为25 mm/s时,前向像移补偿系统最大像移补偿残差为0.38 μm;前向像移速度为3.5 mm/s时,最大像移补偿残差为048 μm,远小于1/3像元尺寸.相机最长曝光时间为20 ms时,前向像移补偿频率可达25 Hz,满足高频航测成像前向像移补偿需要.

为了提高高光谱图像空间维的图像分辨力, 针对航空遥感器成像时由前向像移造成的图像模糊提出了像移补偿方法。分析了航空遥感器前向像移造成图像模糊的退化机制, 对运动模糊图像进行了预处理; 估计了点扩散函数和噪声功率, 使用改进的维纳滤波算法对图像进行复原并以绝对平均误差、峰值信噪比作为评价标准进行了实验。在估计出模糊图像点扩散函数和噪声功率的情况下得到的结果显示: 与传统的维纳滤波复原算法相比, 改进的维纳滤波复原算法的图像绝对平均误差降低了931%, 峰值信噪比提高了1398%, 表明提出的算法能够有效改善高光谱图像的像质。

研究了飞机姿态角速度变化的不确定性扰动对相机反射镜前向像移补偿效果的影响，设计了带有干扰观测器的伺服控制方案来抑制干扰。介绍了一种基于力矩扰动作用的反射镜系统数学模型。采用干扰观测器将外部力矩干扰及模型参数变化造成的实际对象与名义模型输出的差异等效到控制输入端。然后，在控制中引入等效的补偿来实现对干扰的抑制。最后，应用该方法设计了带有干扰观测器的控制器对相机反射镜组件进行像移补偿控制。与先进的PID方法的比较结果表明：在相同扰动作用下基于干扰观测器的补偿控制算法得到的干扰前向像移残差减小了40%~60%左右。该方法提高了相机反射镜前向像移的补偿精度和补偿控制的鲁棒性。

为了提高彩色大面阵航空测绘相机的成像分辨率和测绘精度，对其前向像移补偿的可行性进行了分析，并设计了前向像移补偿机构。根据航空成像的中心投影模型，研究了前向像移补偿下航空测绘相机内、外方位元素的变化对成像过程的影响，证明了前向像移补偿的可行性；设计了一套基于等径共轭凸轮机构的前向像移补偿机构，并分析了各种误差因素对测绘精度的影响；提出了基于仿射变换的误差纠正方法。实验结果表明，提出的前向像移补偿方法正确，机构引入误差的纠正精度可以达到0.001 mm。

为了提高航空测绘相机的制图精度，研究了前向像移补偿过程中测绘相机畸变的纠正方法。根据光学像差理论对畸变的影响因素进行了分析，得到了前向像移补偿过程中影响畸变的关键参数。考察了主点、主距等参数变化对畸变的影响规律，在此基础上提出前向像移补偿下畸变的计算模型。依据提出的模型对前向像移补偿下的航空测绘相机进行了数学仿真及外场飞行实验。结果表明，提出的算法稳定、有效，可以有效地纠正前向像移补偿时航空测绘相机的畸变，平面位置中误差较传统纠正方法可提高1.38倍。

为了实现对前向像移的补偿, 提出一种通过合理调整快门曝光时间和飞机速高比之间的关系来补偿前向像移的方法, 对前向像移产生的原因进行研究。介绍彩色面阵CCD工作原理、相机工作原理, 从光学系统成像原理的角度分析产生前向像移的原因, 还分析了速高比和曝光时间误差。实验结果表明：速高比误差和曝光时间误差均可控制在合理误差范围内, 满足前向像移量小于1.5个像元尺寸的补偿要求, 达到了测绘相机的精度指标。

航空遥感器成像过程中飞行器的向前飞行和姿态变化,使地面物体发出的光线相对于遥感器的光轴产生运动,从而引起共轭像点的运动,在成像介质上产生像移.运用光线矢量与光轴旋转变换相结合的方法,针对飞行器向前飞行使物体与光轴间发生的平移,以及飞行器姿态变化使光轴方向的改变,建立了光线矢量与光轴单位矢量间的关系,得到了航空遥感器在斜视状态下的像移模型.以实测遥感器的工作参数为条件,分析和计算了遥感器的像移,并给出了像移补偿的方法.实际应用证明光线矢量与光轴旋转变换相结合计算像移的方法,不仅综合了前向像移与姿态像移,而且计算简便,可推广于航空遥感器的研究中.