大口径拼接式薄膜衍射光学系统是建立在轨超大口径、超轻型光学系统最有潜力的发展方向之一,其采用超薄薄膜作为衍射主镜材料,通过拼接组成光学孔径阵列实现高分辨率光学成像,具有重量轻、易于折叠和展开、以及成本低等优点。然而大口径拼接式衍射光学系统受到主镜拼接和衍射成像耦合作用的影响,其成像质量退化过程更加复杂,与传统折/反射式系统相比,调制传递函数(Modulation Transfer Function,MTF)与信噪比(Signal to Noise Ratio,SNR)更低,且具有复杂的空间移变和光谱变化特性,成像质量很可能无法满足遥感应用的需求。而目前针对大口径拼接式衍射光学系统的成像特性以及相应的像质复原方法的研究少见于报道。本文即针对该问题,分析大口径拼接式衍射光学系统的成像特性,提出相应的像质复原方法,并开展相关模型与方法的实验验证。主要研究工作如下:(1)开展了拼接式衍射光学系统成像质量退化机理研究。分别从主镜拼接和衍射光学成像的角度,对拼接式衍射光学系统的成像机理及特性进行了分析。从主镜拼接角度,分析了拼接参数和拼接误差对系统成像质量的影响。从衍射成像角度,以多级位相光栅为基础,对衍射主镜的色散效应和衍射效率空间移变特性进行了建模和分析;针对大口径拼接式衍射光学系统主镜表面衍射微结构栅线密度高的特点,研究了栅线密度对衍射效率的影响。充分考虑拼接式衍射光学系统各成像质量退化要素及其耦合特性后,研究了衍射效率和填充因子对系统MTF和SNR的影响,建立了MTF和SNR分析模型。(2)建立了基于严格电磁理论的大口径拼接式衍射光学系统成像特性分析方法。大口径拼接式衍射光学主镜具有亚波长表面微结构,针对标量分析方法不再适用的问题,基于三维时域有限差分法,建立了适用于非回转对称结构主镜的衍射效率分析方法,结合本文建立的大口径拼接式衍射光学系统MTF和SNR分析模型,实现对大口径拼接式衍射光学系统成像特性的分析。并以一拼接式衍射光学系统为例开展实验,分析了工作波长、视场、填充因子以及栅线密度等主镜特征参数对成像特性的影响规律。分析结果与大口径拼接式衍射光学系统成像质量退化机理的理论分析一致,说明了成像特性分析方法的有效性,为图像复原方法的研究提供了依据。(3)提出大口径拼接式衍射光学系统像质复原方法。大口径拼接式衍射光学系统成像点扩散函数空变程度大,像质退化严重,针对传统全盲复原方法无法准确估计全视场所有位置点扩散函数的缺点,提出了一种非全盲复原方法。基于空间变化图像退化机理,在可利用先验或局部测量获得部分视场点扩散函数的条件下,设计了一种高效的全视场点扩散函数插值估计方法。并在此基础上提出了一种多参量联合约束的空间变化图像复原模型,最后基于多变量分裂Bregman迭代法,提出了模型的快速求解方法。(4)开展了大口径拼接式衍射光学系统像质复原实验验证及分析。针对典型拼接式衍射光学系统仿真图像开展像质复原实验,结合处理前后图像质量主客观评价结果,对已知点扩散函数的数量、精度及图像退化空变程度(CLE)对像质复原效果的影响开展了量化分析。实验结果表明:对于本文仿真实验分析的拼接式衍射光学系统,当用于估计全视场点扩散函数的已知点扩散函数数量为11?11,获取均方误差不大于-510,且此时系统的CLE小于3.5时,本文复原方法可使复原图像的结构相似度保持在0.9以上,图像空变度(DOV)降低50%,可有效提升大口径拼接式衍射光学系统的图像质量。