机载光电成像系统是用于实现空中侦察、目标捕获、跟踪和定位等功能的高精度光电成像测量设备,系统多搭载以变焦距可见光摄像机等为代表的有效载荷,通过焦距的连续变化使画面上的景物成像倍率连续地变化,较好地实现大视场搜索目标和小视场分辨目标的功能,并能够实现目标定位,在航空侦察、反恐维稳、边境巡逻、灾害预警、应急响应、大气探测和城市规划等诸多领域得到了广泛应用。但是,目前单一摄像机的视场范围有限,存在视场角与分辨率相互制约的问题,为同时满足航空侦察任务大视场、高分辨率的需求,需要对同一场景下的多幅航空图像进行拼接。另外,由于航空变焦距光学成像系统本身的设计、制造、装调和环控等原因,变焦距摄像机镜头在短焦距大视场情况下存在严重的非线性畸变问题,并且畸变量随焦距变化而变化,同时由于飞机姿态和摄像机视轴指向的变化,航空摄像机以一定倾斜角度对地摄影成像引起梯形失真,与变焦距镜头畸变叠加在一起产生了更复杂的几何变形,直接影响成像的几何位置精度和后续图像的拼接质量,为提高目标检测与定位、模式匹配等定量分析的准确性和利用其图像进行实时拼接的精度,必须对上述几何变形进行校正。另外,机载光电成像设备作用距离一般在几千米到几十千米,容易受大气湍流、像移模糊、离焦模糊、机械振动和雾霾等环境因素的影响,设备获得的航空图像模糊,对比度差,并且不同视角图像之间存在亮度和颜色差异,给图像配准与拼接造成了很大的困难。因此,本论文针对机载变焦距可见光成像系统在图像精确几何校正、目标定位与测量、图像精准配准与鲁棒拼接中存在的一些科学与技术问题进行研究,目的是输出一幅具有地理坐标信息、较高的几何精度和良好视觉效果的宽视场高分辨率拼接图像,本文的主要工作和研究成果如下:(1)针对航空变焦距镜头非线性畸变随焦距变化而变化的问题,提出了一种基于除式畸变模型和直线投影不变性的快速校正算法。该算法采用地面离线标定镜头畸变参数和机上在线校正相结合的方式,通过构造除式畸变校正模型对平面模板图像的非线性畸变进行校正,根据模板图像中共线点的投影不变性,采用hough变换方法检测出校正图像中的直线边缘,计算边缘上各点到理想直线的距离,并构造线性度投票函数作为畸变测度,建立以畸变模型参数为最优解的线性泛函,采用变步长优化搜索方法求解出变焦距镜头在若干离散焦距值状态下的畸变系数和畸变中心坐标,分析了这些畸变参数随焦距变化的规律,建立了各畸变参数与焦距之间的经验公式或构造出畸变参数查找表。在飞行试验中将实际工作焦距值代入经验公式或通过查找表方法得到相应畸变参数对实景图像进行自动校正,在校正精度、处理速度和自动化程度上有了明显提高。(2)针对变焦距航空面阵ccd摄像机高空大斜视成像产生的几何变形,提出一种同时校正斜视梯形失真和变焦距镜头非线性畸变的自动校正算法。首先采用上述标定方法得到摄像机镜头畸变系数、畸变中心坐标随焦距变化的经验公式或畸变参数查找表,再引入摄像机成像时的视轴指向和飞机位置、姿态等外参数,根据投影变换方法和除式畸变模型建立了斜视梯形失真和镜头非线性畸变的综合校正模型,引入四元数方法描述校正模型中相关坐标系之间的转换关系,构造出摄像机坐标系到地图坐标系的投影变换关系,将航空图像重投影到地图坐标系中,对坐标变换后的像素亮度值进行重采样得到校正斜视变形和镜头畸变后的正射投影图像。该算法减少了对像元数据的处理次数,能最大程度地保护校正图像的质量,在校正精度、峰值信噪比和校正速度上有一定程度的提高,较好地满足了后续图像拼接和目标定位跟踪的需求。(3)为提供拼接图像中各目标的地理坐标信息,并根据各图像顶点的地理坐标确定图像大致重叠区域和图像拼接次序,对航空序列图像进行初步配准以提高拼接速度和精度,提出一种基于像元视线向量的机载光电系统多目标自主定位方法。根据单面阵ccd传感器的成像原理,构造各目标的视线向量并计算其与图像中心主目标的像元视线角,结合已测得的主目标相对光电平台的方位角、高低角和距离,计算出各目标与机载光电平台的角度与距离关系,结合gps定位技术和航姿测量技术获取载机的位置姿态信息,通过齐次坐标变换方法计算出单幅图像中多个目标的大地坐标。提出采用畸变修正的方法和递归最小二乘滤波算法来进一步提高目标定位精度。该多目标自主定位方法具有定位精准,侦察效率高,便于工程应用等优点,将得到的各目标地理信息与拼接图像进行融合,生成带有地理坐标的宽视场高分辨率合成图像,具有重要军事应用价值。(4)针对机载光电设备在恶劣天气环境下获取的图像模糊,对比度差,存在较大亮度和颜色差异问题,首先提出一种基于改进墨西哥帽小波函数差分算子的特征点检测算法,该算法定位准确、重复率高,对尺度、旋转、平移、模糊、光照、噪声等具有良好不变性和鲁棒性;然后深入研究了基于矩不变量的仿射和模糊不变特征描述算法,利用特征点邻域内的几何矩构造仿射不变量,并与基于图像卷积不变量理论的模糊不变量进行特征融合,得到模糊和仿射组合不变量(combinedblurandaffineinvariants,cbais);根据图论的相关理论构造仿射不变量,并与模糊不变量进行特征融合得到基于图论的卷积和仿射混合不变量(mergingblurandaffinemomentinvariantsbasedongraphs,gmbais);将cbais与gmbais特征进一步进行融合,得到更鲁棒的仿射和模糊不变特征描述符(logarithmicinvariantstoblurandaffinetransformbasedongraphs,glbais);对于彩色图像可进一步结合颜色不变量模型提取颜色不变量构造特征描述向量(glcbais),该特征描述向量对模糊、噪声和光照变化不太敏感,并具有良好的旋转和尺度不变性;最后利用特征描述向量之间的欧式距离作为相似性度量进行特征匹配。实验结果表明该图像配准算法具有较好的尺度、旋转及仿射不变性,对模糊、光照、噪声具有良好的鲁棒性和适应性,匹配速度和精度优于传统的算法,能较好地实现航空模糊图像的精准配准和鲁棒拼接。(5)针对图像拼接误差随图像数量的增加而累积变大的问题,除用目标定位算法得到各图像顶点的地理坐标对图像进行粗配准之外,提出一种自适应多级分层拼接算法来进一步减小拼接误差,较好地消除了拼接缝隙问题,得到一幅宽视场、高分辨率的合成图像,整体视觉效果好。