对高分辨率光学成像系统的研究已经成为了空间光学领域的热点。当轨道高度及光学成像系统像元尺寸一定时,通常需要使用焦距较长的光学系统来提高分辨率。要达此目的,须通过减小光学系统的相对口径,即加大F数,来实现焦距的增长。这样做不仅能够减小整个光学系统的体积,提高其灵敏性,同时还能降低其研制成本。但是,随着镜头F数的增加,衍射效应愈加强烈,系统调制传递函数的数值也随之降低,使图像产生退化。因此,需要利用地面的图像复原处理工作,减小或消除在图像获取的过程中出现的图像质量下降。调制传递函数补偿(modulation transfer function compensation,MTFC)作为图像复原的一种方式,能够从退化的图像中复原出清晰、细节丰富、并且接近真实的理想图像,从而进一步提高图像处理应用的实用性,准确性和真实性。本文以大F数的MTFC技术为主要研究对象,首先从成像链路出发,建立了大F数成像系统的退化模型,分析了MTFC技术的基本原理,对比研究了几种常见的补偿算法,还提出了一些相应的噪声抑制手段。同时对大F数的调制传递函数补偿技术进行了实验验证,最后,从实验结果和理论仿真两个方面分析了大F数光学成像系统的复原极限问题,为以后的工程化生产提供了依据。本文的主要内容有:1.根据图像在获取过程中产生的噪声、模糊、失真等现象,建立了成像系统的退化模型。基于点扩散函数的理论,从调制传递函数、点扩散函数和信号能量三个方面分析了大F数光学系统对图像质量的影响,建立了大F数成像系统的退化模型。2.从大F数成像系统的退化模型出发,分析了MTFC技术的基本原理。研究了常见的MTF测量方法,以及主观和客观图像质量评价方法,指出应该结合主观和客观方法,全面的考察图像的质量。同时对比了不同补偿方法的复原效果。最后分析了大F数图像的噪声类型和抑制方法。3.利用CCD(charge-coupled device)相机MTF(modulation transfer function)系统测试平台,选取多组目标景物,通过改变镜头的F数、曝光时间及焦距生成具有不同MTF值的图像,然后对所得的图像进行复原处理。研究发现随着F数的增大,其奈奎斯特频率处对应的MTF值会相应变小,但是经过补偿后,视觉上和客观参数都证明了其图像像质得到了提高。4.从实验结果和理论仿真两个方面分析了大F数光学成像系统的复原极限问题。虽然MTFC技术可以改善图像质量,使图像看起来更加清晰。但是当图像的空间频率过高,或是镜头的F数过大时,即使经过补偿处理,MTF值仍然低于0.1,像质得不到明显提升。