光学合成孔径系统有望突破孔径限制,实现静止轨道高分辨率持续对地观测,但光瞳的稀疏性和相位误差的存在使它的成像性能受到限制。本文针对光学合成孔径系统的成像性能优化问题,先后在性能指标设计、光瞳结构优化、活塞误差检测、多帧成像与复原、振铃探测消除以及像素位移分析等方面展开研究,主要工作包括以下几个方面:(1)成像性能指标设计。在填充因子范围内,分别利用特征指标与客观评价指标对典型阵列的成像性能进行比较,揭示了成像质量与频谱分布之间的相关关系。综合频率高低和频谱均匀性两方面因素,设计加权频段能量曲线指标,可准确反映任意阵列结构和特征参数的合成孔径系统成像性能,为成像系统研制提供设计依据。(2)光瞳结构优化。提出中低频谱能量最大化准则,并依此对三种六孔径阵列排布形式进行优化,得到中心聚合型的阵列结构形式。新的光瞳结构被证明在成像像质、图像复原质量、相位误差容限和配准精度等方面均优于典型阵列,成像性能得到显著提高。(3)活塞误差检测。设计度量多孔径随机活塞误差及倾斜误差大小的量化指标,得到保证近似无损复原的相位误差容限。提出并证明了沿基线中垂线方向,系统点扩散函数和活塞误差之间的关系与坐标无关,从而避免了定位精度对误差探测的影响。提出利用远场图像在基线方向上的分布特性确定误差范围,得到唯一确定的误差值。利用直接盲解卷积和总变分去噪方法消除湍流和噪声影响,提高了探测精度。(4)多帧成像方案设计。提出通过旋转阵列获取频谱不同的多帧图像,利用多帧维纳滤波进行复原,以消除相位误差的影响。基于统计实验确定最优的多帧成像方式,提高了合成孔径系统相位误差容限。将该方法拓展到一维非冗余阵列,提出增加旋转次数以实现频谱的重复覆盖,能够有效弥补了光强分布方向性引起的频谱覆盖缺陷,通过实验验证了方法的适用性,并确定了填充因子的有效范围。(5)振铃效应探测与消除。提出结合视觉感知特性的振铃探测方法:利用梯度方向随机度和局部方差值两项指标综合衡量像素邻域内的纹理复杂度,得到像素级精度的纹理区;将主边缘邻域内的全边缘视为可能的边缘振铃,结合纹理掩盖效应得到振铃区和平坦区。基于图像分区选择不同参数,利用双边滤波消除振铃,实现消除振铃效应的同时保持边缘纹理,克服相位误差对合成孔径系统图像复原质量的影响。(6)像素几何位移分析。利用特征点匹配分析了填充因子、阵列结构、成像方式、相位误差和图像后处理等因素对合成孔径对地观测与复原图像像素几何位移的影响。证明中心聚合型阵列、旋转成像与多帧复原技术以及振铃探测消除方法在优化合成孔径阵列成像性能的同时,也有助减小图像像素几何位移。