航空光学成像与测量技术具有高时效、低成本、高分辨、易判读等突出优势。作为一种不可或缺的光学遥感手段得到了广泛地应用。由于受到航空飞行的影响，光学载荷需要在有限的体积、 重量和功耗约束下解决气动力(矩)干扰、振动、温度和气压的急剧变化等问题，从而获得更加清晰的光学影像和更精确的测量结果。面对本领域对航空光学成像与测量的新技术、新方法、新理论的 需求，组织了航空光学成像与测量专题，在精密光学、精密机械、精确控制以及图像处理等方面介绍了一批优秀的研究成果。从理论引领和工程参考价值的角度，推动相关研究的进一步发展。

为了研究航空低温温度对自准直检焦系统的影响，从而指导实际检焦系统的设计及修正，本文根据自准直检焦及几何光学原理，分析了单点成像、条纹成像及有无像散条件下，成像位置、成 像宽度与接收的光强度差之间的相互关系，并给出了相关理论公式。结合实际的相机工况，对光学系统进行了相应的仿真，仿真结果显示，仿真双波峰电压值为1.4 V和0.47 V，与实际的检焦双波 峰电压值1.38 V和0.56 V基本一致。根据结果进行了温控和柔性支撑，从而使检焦正常，提高了自准直检焦系统的温度适应性。本研究对系统的温度适应性具有指导作用。

为解决航空遥感相机检焦系统故障分析、元器件选型及提高检焦精度的问题，本文深入研究了基于Ronchi光栅的光电自准直检焦法。首先，归纳总结了国内外航空相机常用的几种检焦方法， 对比了每种检焦方法的优缺点。接着，重点介绍了基于Ronchi光栅的光电自准直检焦系统的构成和工作原理，建立了数学模型，模拟了检焦系统在不同像面位置处的输出波形。然后，为衡量离焦程 度，提出了离焦评价因子的概念，接着分析了光学系统的衍射效应和像差大小、Ronchi光栅的周期选择及检焦光源的能量分布这三种因素对检焦精度的影响，给出了Ronchi光栅周期的选择方法。最 后，通过实验的方法对本文的仿真结果加以验证。实验结果表明：合焦波形的峰峰值占比0.82，对应0.05 mm步长下的平均检焦分辨力约为10%。

针对某高光谱相机选择系留气球作为飞行平台的使用要求，设计了一台钢丝绳传动两轴稳定平台，对系留气球在方位和俯仰方向的姿态变化进行角度补偿。稳定平台的方位和俯仰传动机构均 采用钢丝绳传动，方位轴和俯仰轴的连续驱动力矩分别为93.6 N?m和117 N?m，两轴的最高转速分别为25 (°)/s和20 (°)/s。对稳定平台进行了实验室测试，测试结果表明：稳定平台的传动精 度为5 μrad，传动误差不大于0.7%，方位轴和俯仰轴的开环控制伺服带宽分别为15 Hz和35 Hz，正弦跟踪精度均方根误差值分别为0.004 5和0.004 3。然后进行了外场飞行试验，稳定平台安装在 系留气球底部，俯仰框架上安装35 kg的高光谱相机进行空中对地观测，飞行试验中获取稳定平台陀螺稳定数据，得到方位轴和俯仰轴的稳定精度分别为38.83 μrad(RMS)和37.26 μrad，满足高光 谱相机稳定成像的指标要求。

针对飞机姿态角、速度、高度对重叠率影响进行分析并给出了补偿方法。以图像目标直接地理定位方法为基础，给出了大倾斜成像重叠率的基于坐标变换分析方法；对飞行参数单变量影响给 出了几何分析方法及计算公式，两种方法结果是一致的。对于载机姿态角综合作用影响，利用基于坐标变换的方法给出了载机姿态角波动在1°范围内，分析了图像目标区域与预期区域偏离的结果 ，同时提出了使用相机位角和俯角对飞机姿态角影响进行补偿的方法，并给出了基于坐标变换方法的相机位角和俯角补偿量计算公式；基于几何分析结果，提出了通过调整拍照周期对载机速度和载 机高度波动影响进行补偿方法，并给出拍照周期的计算公式。仿真结果和实际飞行数据表明，使用相机位角和俯角进行载机姿态补偿，同时调整拍照周期，可以很好抑制航拍过程中飞机参数波动对 重叠率影响，在小视场角0.88°时，在平坦地区重叠率均值与预期值偏差为1%。

针对目前对地目标定位算法在大倾角远距离航空成像应用时定位误差较大的问题，提出了一种修正系统误差定位方法。对大倾角远距离航空成像系统的系统误差进行分析与建模，给出了包含系统误差修正模型的对地目标定位算法，并针对残余误差的获取问题，进一步提出了一种依据地面控制点估计残留误差参数的方法。仿真结果表明，依据地面控制点估计残留误差参数，可将残留误 差降为1/10。飞行试验数据验证，在进行大倾角远距离航空成像目标定位时，通过修正系统误差可将定位误差平均值从401 m缩小到97 m。修正系统误差定位方法可以有效提高在大倾角远距离航空 成像应用时对地目标定位的准确度。

针对实时广域高分辨率成像需求同时保证系统结构的小型化与轻量化，设计了高集成度共心多尺度光学成像系统。该系统采用伽利略型共心多尺度成像结构将球透镜与次级相机阵列进行级联 ，以充分利用双层共心球透镜视场大且全视场成像效果一致性好的特点，并发挥伽利略型共心多尺度结构体积紧凑的优势。此外，通过设计相机阵列的排列方式进一步减少相机使用数量，实现轻量 化。通过全系统联动设计与优化，系统的调制传递函数曲线在特征频率270 lp/mm处可达0.3，全视场弥散斑均方根(RMS)半径均小于探测器像元尺寸1.85 μm，成像效果优良，且公差分析结果表明 系统易加工制造。该系统不仅能够有效实现大视场高分辨率成像，而且具有低的结构复杂度及更紧凑的结构，应用前景广阔。

针对复杂环境下远距离点目标弱目标探测的需求，设计了红外双波段双视场成像告警系统。为提高其目标探测能力以及环境适应能力，该系统采用高阶非球面，减少系统镜片数量，提高系统 透过率，同时校正轴上、轴外像差及高级像差，提高系统成像质量；采用光学被动消热差方式，实现了光学系统-40～60 ℃的无热化设计。采用旋转电磁铁为驱动元件，实现了80 ms大/小视场切换 速度以确保目标在视场切换过程中不丢失。采用电限位、机械限位以及磁力锁紧机构作为限位组件，实现了大/小视场切换后光轴晃动小于两个像素的稳定精度。设计结果表明，该红外成像告警系 统光机结构设计合理、结构紧凑、成像质量好，满足目标探测要求，在红外成像告警领域具有较好的应用前景。

针对现有红外系统作用距离模型影响因素考虑较少、难以准确评估系统探测能力及目标红外隐身效果的问题，开展空基红外系统作用距离建模及应用案例分析。分析典型红外系统作用距离的 影响因素，定义大气光谱透过率与作用距离的隐函数，基于大气垂直高度层上温度差异明晰光谱辐射强度分布模型，考虑目标红外光谱辐射线型特征推导大气透过率加权修正系数，进而构建了综合 目标光谱辐射特性、大气温度和红外系统高度等多种因素的空基红外系统对点目标作用距离模型。基于该模型，对不同类型空基红外系统的探测能力及不同类型目标的红外隐身性能进行了比较和分 析。结果表明，对于导弹、飞机类目标，采用大口径、长波段系统设计有利于提升空基红外系统对目标迎头方向探测能力，大口径中波红外系统对目标尾后方向探测能力更强；小尺寸、低表面发射 率、低速飞行目标的红外隐身及突防能力更好，目标在平流层飞行时隐身性能要优于对流层和中间层飞行目标。

针对红外波段下海面偏振特性建模的问题，在双向反射分布函数的基础上，建立了海面微面元的偏振双向反射分布函数模型。综合考虑了海面的自发辐射效应和反射效应对探测器接收辐射的 影响，提出了一种新的海面红外偏振特性表征模型。利用Elfouhaily海浪谱和快速傅里叶变换计算了海面的高度场信息和斜率信息。数值计算了不同观测天顶角和不同风速下海面自发辐射的线性偏 振度，以及不同入射天顶角下海面反射辐射的线性偏振度，仿真生成了海面和舰船的红外偏振图像。仿真数据与文献数据的对比分析表明，本文所建立的红外偏振特性模型适用于分析海面的红外偏 振特性。与传统的红外强度图像相比，红外偏振图像可以提供更多关于海面的细节信息。同时，目标与海面的偏振特征差异更明显，对比度更高。所提出的海面红外偏振特性表征模型对海上目标的 探测识别应用具有重要的意义。

在窗口傅里叶变换(WFT)相位提取技术中，抑制线性相位误差和背景光强干扰对窗口尺寸的需求条件存在矛盾，无法对二者进行同时抑制，故提出一种通过改变输入信号频谱成分的线性相位 误差抑制技术，该技术利用傅里叶空频分析法将输入信号进行背景光强滤除并保留基频成分，使测量结果不受背景光强影响；考虑到线性相位误差同样受到窗口尺寸选取的影响，通过仿真分析确定 最优窗口尺寸判定依据；采用该方法重构抛物面形并以相移干涉技术所获面形结果为基准进行对比分析，结果表明，本文提出方法可实现线性相位误差与背景光强干扰的综合抑制效果并提高了传统 WFT相位提取精度。

系统地分析了各种快照式光谱成像技术并进行了对比。依据光谱数据立方体分割到2D空间进行成像的方法，将不同的快照式光谱成像技术分成图像分割、孔径分割、光路分割和频率分割4类，按类别探讨了17种技术方案的原理、优点、缺点与现状,从空间像素数与光谱通道数权衡、图谱匹配、空间采样连续性、光能利用率及动态范围5个方面进行了对比和展望。研究结果有助于相关领 域学者快速全面地了解快照式光谱成像仪的研究现状，为进一步提升其综合性能奠定基础。

采用陀螺仪直接测量光电平台内部载荷的惯性角速度构建反馈，可以在运动载体上控制视轴惯性角速度，实现稳定成像。陀螺捷联惯性稳定控制能够构建前馈，有效提高系统带宽、减小控制误差，但对陀螺安装位置有要求。本文提出了在陀螺直接反馈的机械安装条件下等价捷联稳定的控制方法，并考虑平台基座约束条件建立了动力学模型。该模型显露了光电平台基座安装刚度引入的 谐振问题。针对被控对象中的一对谐振和反谐振环节，基于稳定的零极点对消设计滤波器消除谐振。综合利用陀螺直接测量的框架惯性角速度和编码器测量的机械框架相对转角构建等价捷联惯性稳 定回路。在等价捷联惯性稳定回路中，采用内回路干扰抑制结合基于逆模型前馈的复合控制方法，有效拓展控制带宽，提高对指令的跟踪精度和对载体姿态晃动的隔离性能。仿真和实验结果表明： 该方法有效抑制了安装基座弹性约束力矩的谐振，且与陀螺直接反馈控制相比性能更优。对幅值为1 (°)/s、频率为1 Hz的典型正弦角速度指令进行跟踪，均方根误差由1.75 (°)/s减小到0.23 (°)/s，在1 Hz处扰动隔离度由18%减小到2%。

为实现基于转台的像移补偿型周视扫描成像系统的高分辨率稳定成像，提出了一种复合控制算法对永磁同步电机驱动的扫描转台进行转速跟踪控制。根据转台的载荷特点及电机的数学模型， 建立了包含机械参数不确定性和快变转矩扰动的单采样率控制系统模型；采用快速非奇异终端滑模和扩张高增益观测器复合控制实现了转速跟踪控制；采用快速非奇异终端滑模实现了最大转矩电流 比控制；最后，分析并验证了基于上述复合算法的转速跟踪控制性能。实验表明：在转台转速设定为120 r/min或240 r/min时，采用该复合算法的转速跟踪误差均小于0.1%。与PI控制、快速非奇异 终端滑模控制及线性滑模+观测器控制相比，采用该复合算法的转台转速响应具有无超调、抗扰动性能更强、跟踪精度更高的优点，能保证所述周视成像系统获得清晰稳定的周视全景图像。

为改善航空光电载荷用音圈致动快速反射镜的控制性能，提出一种降阶自抗扰控制方法。首先，对快速反射镜(Fast Steering Mirror，FSM)模型进行了分析并获取了模型参数。根据自抗扰 控制理论，设计了FSM的三阶通用自抗扰控制器。将电涡流传感器的测量结果视为已知，提出降阶扩张状态观测器及其对应的自抗扰控制器设计方法。根据控制器带宽设计思想，推导了对于FSM 这 类二阶欠阻尼对象的控制律，并给出了加入扰动补偿量的控制律的具体实现形式。实验结果表明，降阶自抗扰控制能明显改善FSM的位置阶跃响应动态性能，能实现无超调与振荡的阶跃响应，稳态 时间由11.7 ms提升至9.2 ms，同时能够降低FSM对位置斜坡输入跟踪的稳态误差，并改善其速度响应动态过程，像移补偿稳速时间由10.2 ms提升至7.8 ms，提升约24%。降阶自抗扰控制具有实现简 单、运算量小的特点，能够明显提升FSM的动态性能。

为提高红外图像弱小目标检测的准确率和实时性，在分析用于红外图像增强的分形参数K相关的多尺度分形特征(MFFK)基础上，提出了一种基于改进多尺度分形特征(IMFFK)的红外图像弱小目 标检测算法。首先，将基于地毯覆盖法的分形维数计算公式代入MFFK计算公式，提出了一种改进多尺度分形特征(IMFFK)用于图像增强。其次，对IMFFK特征计算进行简化，采用自适应阈值分割得到 感兴趣目标区域，提出了一种具有较高计算效率的红外图像弱小目标检测算法。最后，通过仿真图像分析了主要参数对图像增强和算法耗时的影响，采用红外真实图像进行了算法检测性能测试，并 与当前基于局部对比度测度的目标检测算法进行了对比。实验结果表明，提出的算法虽然在一些检测场景具有较多虚警，但能同时适用于弱小目标和较大目标检测，且无论目标为亮目标或暗目标。 提出算法对于低分辨率红外图像(320×240)检测接近30 frame/s。提出算法具有较强的适用性，能够检测出红外图像中具有较高局部对比度的目标。

目前较为流行的去雾算法都存在着过度增强以及增强不足，容易造成光晕效应以及色彩严重失真。提出一种基于四叉树细分的改进大气光估计方法以及一种改进的引导滤波用来解决这些问题 。首先，对非重叠暗通道使用四叉树细分方法估计更加可靠的大气光值。然后，分析引导滤波在边缘区域的光晕效应产生的原因，对其加入自适应权重因子，用改进后的引导滤波对初始传输图进行 优化。最后，用估计的大气光值和优化后的传输图根据大气散射模型得到去雾图像。实验结果表明：去雾后的图像颜色较为可靠，边缘区域光晕效应减弱。从颜色可靠性和细节增强度来说，提出的 算法比现阶段的去雾算法有较为出众的表现。

光学遥感图像海面舰船目标检测易受云雾，海岛，海杂波等复杂背景的干扰。本文提出了一种适用于复杂背景的舰船目标检测方法。首先为了克服目标尺度多变问题，利用视觉显著性生成多 尺度显著图，然后使用基尼指数自适应选择最优显著图。考虑到全局阈值分割算法带来的漏检测问题，提出一种新的方案来分离目标和背景像素点。利用图像膨胀原理获取显著图的局部极大值点， 然后使用k-means算法判断极大值点属于目标像素点还是背景像素点。接着对目标点邻近区域进行精细分割。最后引入基于径向梯度变换的旋转不变特征来进一步剔除虚警。实验结果表明，该算法 能够成功检测出不同尺寸和方向的舰船目标，有效克服复杂背景的干扰。算法检测正确率93%，虚警率4%，优于其他舰船检测方法。

由于航空图像背景复杂，包含的物体类别多样，航空图像分类任务仍然面临困难。针对传统航空图像多标签分类算法准确率低、泛化性差的问题，本文提出了一种基于循环神经网络多标签航空图像分类方法。首先，采用超像素分割获取图像的低层特征，通过注意力机制生成注意力特征图；接着，采用交叉验证的方式获取最佳的图像尺度，将多尺度注意力特征图嵌入卷积神经网络中对 图像进行特征提取；最后，采用改进的双向长短期记忆网络挖掘标签之间的相关性，改进的双向长短期记忆网络增加了输入门到输出门之间的连接，使输入状态可以更好地控制每一内存单元输出的 信息，并且将遗忘门和输入门合并成单一的更新门，使得改进的双向长短期记忆网络可以学到更长时期的历史信息。结果显示，在图像变换尺度为1，1.3，2时，模型在UCM多标签数据集上的精确率 和召回率分别达到了85.33%和87.05%，F1值达到了0.862。本文方法相比于原始VGGNet16模型，精确率提高了7.25%，召回率提高了8.94%。实验表明，该方法可以有效提高航空图像多标签分类任务 的准确率。