近年来，红外成像技术得到迅速的发展，无论在军用或者商用领域，红外热成像系统都发挥着重要的作用。相对于传统的制冷型热成像系统，非制冷红外成像系统具有价格低、体积小、重量轻、功耗低的优点，并逐渐在红外热成像系统的技术发展中获得更大的关注。本文首先从红外成像系统基本理论出发，研究了红外热成像系统的基本模型，并分析了影响系统成像质量的主要因素以及生成的红外图像的主要特征，并重点针对红外焦平面阵列的非均匀性校正、红外图像的高动态范围压缩和细节增强等问题进行了深入的研究。红外焦平面阵列的非均匀性严重影响了系统的成像质量。分析了系统非均匀性特征及其产生机理后，探讨了国内外研究中基于黑体标定和基于场景的红外焦平面阵列非均匀性校正方法。针对传统基于场景的红外焦平面阵列非均匀性校正过程中鬼影现象和目标退化问题，提出了一种基于受限高斯滤波的非均匀性校正方法。实验表明，该方法将红外图像的图像的信噪比(PSNR)从19.43dB提高到了30.71dB，在得到较好的非均匀性校正效果的同时，有效地解决了图像的鬼影现象以及景物退化的问题。针对红外图像普遍具有对比度低，信噪比低等特点，研究了红外图像动态范围压缩和细节增强的主要手段。针对传统红外图像动态范围压缩和对比度增强方法对原始图像信息保留不足的缺点，提出了一种基于最优映射曲线的红外图像动态范围压缩和对比度增强方法，该方法在最小化了图像增强前后均方误差的同时，明显改善了图像的整体视觉效果，且处理速度快，自动化程度高，适合红外图像视频的实时处理。为实现红外热成像系统信号的实时处理，设计了基于FPGA的红外成像信号处理系统。该系统以FPGA作为核心实现了系统的焦平面驱动设计、红外焦平面阵列非均匀校正、图像的动态范围压缩和细节增强处理、图像的模拟视频输出以及该系统中数据流控制等全部功能。最后，针对研制的红外热成像系统，利用现有的测试平台以及Matlab等图像处理软件，对该系统的功耗，非均匀性、噪声等效温差、最小可分辨温差及系统成像时间等指标进行了详细的评估。本文的研究内容对中科院某型非制冷红外热像仪的成功研制具有重要的参考意义和实用价值。