导光式共孔径光电成像系统具有转动负载小、多波段共孔径，可实现静密封等特点，目前被广泛应用于多种平台的光电设备。但其相对于转塔式光电设备而言存在像旋问题。转塔式光电设备的光轴相对误差在不同方位、俯仰角度时保持不变，故可直接通过给跟踪视轴一个固定的拉偏量，以保证各视轴的统一。导光式共孔径光电设备由于像旋的存在，其光轴相对误差在不同方位、俯仰角度时并不一致。以导光式共孔径光电跟踪设备的典型光路为研究对象，分析了由于像旋导致的光轴相对误差变化规律，给出了补偿公式并进行了实验验证，将导光式共孔径光路的光轴相对误差由约192″(RMS)补偿到约15″(RMS)。结果表明本文推导的近似公式可有效补偿导光式共孔径光路的光轴相对误差。

为了揭示反射式二维快速控制反射镜在光学系统中引起的图像旋转规律, 为光学消旋提供数学模型, 构建了反射式二维快速控制反射镜典型应用。利用空间矢量绕轴旋转的数学分析方法和平面镜反射成像规律, 建立了反射式快速控制反射镜典型应用场景的反射像矢量模型。根据反射像矢量模型给出了观察平面内的图像旋转数学模型, 分析了二维快速控制反射镜单轴、双轴扫描时图像旋转的数学模型及其物理成因, 并给出了像旋角仿真结果。为基于反射式二维快速控制反射镜光学系统的光学消旋奠定了理论基础, 并提供了精确的数学模型。

红外重叠手印图像是刑侦领域比较复杂的一类红外图像，其本身具有信息不确定性和手印重叠性。如何准确提取重叠的手印目标是刑侦领域处理此类图像的一大难题。针对该问题，提出了一种基于可变阈值和坐标变换融合的红外刑侦重叠手印目标提取算法。首先，采用阈值算法提取整体手印图和手印重叠部分图；然后通过坐标变换方法滤除两部分图像的无关区域；最后利用轮廓融合算法将两部分图像融合，得到整体手印目标的提取结果。为了使提取结果具有更好的可视性，又采用图像旋转操作后的坐标变换方法来提取单个手印目标。实验结果表明，与其他一些目标提取方法相比，本文方法在提取整体和单独手印目标时都具有较高的准确性和完整性。

为定量分析动态漂移时的像旋对成像质量影响的程度,基于动态环扫成像理论,建立一种静态影像与动态漂移间的融合模型。然后结合面阵CMOS相机成像特点与动态运动特性,提出对像旋矢量进行分解处理再融合的仿真模拟方法,设计了一种动态环扫画幅影像像旋仿真分析方法,获取了不同动态成像参数下的模拟影像。最后利用成像幅宽、地面分辨率、成像系统信噪比、峰值信噪比及结构相似性等指标对模拟影像进行定量评估分析。仿真结果表明,相机曝光时间越长,成像系统信噪比越高,像旋越大,成像质量越差,结构相似性越小。研究结果可为未来多种动态成像模式设计中减小像旋影响、提高相机成像质量提供有效的参考。

与传统的二维指向镜系统不同, 基于压电陶瓷的反射镜系统控制精度要求高, 反射镜的反射面与三维坐标系的X轴平行, 难以求得简单的解析表达式。为了解决这一问题, 对反射镜系统中的光轴偏和像旋特性进行分析研究。从光学反射矢量基本 理论出发, 建立二维指向镜数学模型, 根据目标偏转角解耦得到指向镜的方位角和俯仰角, 模型采用数值解并提出数值解的 约束条件。仿真实验结果表明: 二维指向镜偏转误差远小于系统瞬时视场角; 最后分析二维指向镜旋转引起的像旋问题, 实 验测得像旋误差小于0.01°。满足系统的精度要求, 为像旋校正提供理论依据。

为更精确地分析别汉(Pechan)棱镜的制造和安装误差对成像光路光轴的影响, 使用四元数对其进行了误差模型建立。获得了将其复杂反射过程等效为绕某个法向量旋转的一次简化模型。该模型完全保证了当光轴与别汉棱镜入射面存在一定误差角度时, 对出射光轴的偏转影响特性。模型的推导利用了四元数在表示旋转运动时的优势, 将复杂的三角函数运算简化为代数运算, 公式简洁、物理意义明确。将5次反射计算与4次旋转计算简化为1次等效反射运算, 为使用别汉棱镜消像旋的光路误差模型推导提供了有效的简化数学模型。

非固定相机数字散斑相关方法拍摄待测物体表面的目标图像时, 所拍摄的目标散斑图像相对于参考散斑图像可能产生位置移动及图像旋转。通过辅助定位的相机标定方法可以计算出被测物体表面与相机的相对位置, 但无法获得散斑图像在平面内的旋转角度。数字散斑相关方法对图像旋转较为敏感, 随着旋转角度的增加, 目标子窗口与参考子窗口的相关性迅速降低。研究图像旋转角度对数字散斑相关方法计算精度的影响, 分析相关性随旋转角度降低的原因。对相关搜索方法进行相应的改进, 在搜索目标子窗口时增加对子窗口旋转角度搜索, 在计算参考图像中子窗口位移量的过程中, 同时计算了其旋转角度, 从而降低图像旋转的影响, 提高数字散斑相关方法的计算精度。