光瞳旋转光学成像系统是通过矩形光瞳绕中心旋转的方式,实现系统在光瞳不同旋转角度上的矩形长边等效口径成像,是实现空间超高分辨率超大口径光学载荷的新型成像体制。与传统体制相比,具有轻量化、加工周期短、便于运载、成本低等特点,是未来静止轨道超高分辨率光学卫星成像载荷的重要发展方向。但其在轨成像过程中受到自身光瞳旋转与探测器采样、卫星平台运动、振动等耦合效应影响,大口径光瞳旋转光学遥感成像系统的图像退化特性复杂,因此有必要开展大口径光瞳旋转光学系统在轨成像质量退化特性研究,并以此为依据提出像质提升方法。围绕该目标,论文的主要研究工作如下:(1)光瞳旋转光学系统成像质量退化机理及特性分析。首先利用光瞳自相关理论建立光学成像系统矩形光瞳的点扩散函数(Point Spread Function,PSF)特性分析模型。其次结合系统工作原理与在轨成像链路,分析光瞳旋转光学系统成像质量退化机理。最后从机理出发,考虑矩形光瞳PSF与平台振动耦合对成像质量的影响,分析系统在轨成像特性。(2)建立高分辨率光瞳旋转光学系统成像质量仿真模型与方法。从像质退化机理出发,围绕成像链路中平台在轨振动、光学系统成像与探测器光电转换与采样链路环节,针对系统在轨成像特性建立高分辨率光瞳旋转光学成像系统几何质量仿真模型与辐射质量仿真模型,并利用该仿真模型开展了在轨成像仿真实验,分析了平台振动振幅、振动频率与光瞳旋转速率等参数对系统成像质量的影响。通过将仿真结果与成像特性理论分析对比,说明了仿真模型与方法的正确性和有效性,为后续像质提升方法的研究提供先验输入。(3)建立光瞳旋转光学成像系统像质提升模型与方法。本文在系统成像特性分析的基础上,建立以恢复矩形光瞳不同旋转角度下系统退化图像信息的空间相关性为目标的图像配准模型。在此基础上利用矩形光瞳一个旋转周期内系统所获得目标场景的各方向高分辨率信息,建立融入场景方向梯度分布先验正则项的图像复原模型,实现矩形光瞳单旋转周期系统退化图像的复原。进一步基于凸集投影原理建立图像超分辨率重建方法,利用矩形光瞳多个旋转周期复原图像之间的亚像素采样信息实现图像的超分辨率处理。(4)实验验证及分析。为验证高分辨率光瞳旋转光学成像系统像质提升方法的处理性能,设计像质提升方法验证实验方案,选择峰值信噪比(PSNR)、视觉信息保真度(VIF)、结构相似度(SSIM)、空间频率(SF)、分辨率提升倍数等像质评价指标评价提升前后图像质量。实验结果表明,本文提出方法能够实现高分辨率光瞳旋转光学成像系统像质的提升,在图像配准精度为0.2个像元的条件下处理图像PSNR提升超过12%,SSIM提升超过11%,VIF提升超过20%,图像分辨率提升了1.5倍以上。为静止轨道高分辨率光瞳旋转光学成像技术的实际空间应用提供支持。