随着空间探索和遥感成像的发展，人们对望远镜空间分辨率的要求越来越高，由于光学稀疏孔径成像系统不受子孔径口径的制约，成为实现高分辨率成像观测的一种有效手段，从而受到广泛的关注。国外光学稀疏孔径成像系统的研究始于上世纪七十年代，而我国从本世纪初才开始对光学稀疏孔径成像系统的相关技术进行研究。本论文从理论和实验两个方面对光学稀疏孔径成像系统的成像性能进行了研究，并给出了详细的分析和讨论。 首先，基于信息光学理论，应用光学非相干成像系统的简化模型对传统单孔径望远镜系统和光学稀疏孔径成像系统分别进行了理论分析，并给出相应的空间分辨率，说明光学稀疏孔径成像系统不受其子孔径口径的限制，讨论了系统的成像过程、成像性能和阵列结构等相关问题。由于光学稀疏孔径成像系统所成的像是低对比度的模糊图像，需要进行图像复原后处理，论文给出了频率域图像复原的方法。 其次，分析了光学稀疏孔径系统的调制传递函数(MTF)与传统单孔径系统调制传递函数的不同特点，说明了由于MTF是归一化的函数，光学稀疏孔径系统和传统单个大孔径系统在进行归一化时的基数不同，所以，在某些空间频率范围，光学稀疏孔径成像系统的MTF有可能大于等效单个大孔径系统的MTF。在填充因子不同时，使用数值仿真和光学实验的方法得到了三种典型光学稀疏孔径系统的调制传递函数，为进一步研究阵列结构提供了理论依据。 构建了一个光学稀疏孔径成像原理性实验系统，实现了扩展复杂目标的成像，并通过实验测量点扩散函数，对直接获得的模糊图像进行了图像复原处理，在本文中，除使用空间分辨率评价外，采用了一种新的基于相关系数的图像质量客观评价方法，这是一种全局的评价方法，直接采用图像内容之间的相似性进行评价，通过对不同情况下相关系数的比较，能够对光学稀疏孔径系统进行阵列结构评价、复原算法性能评价和确定算法的优化参数。实际光学实验的成像及复原结果与数值仿真结果吻合，表明基于相关系数的图像质量客观评价方法是可行的，也从实验上阐明光学稀疏孔径成像系统可以获得等效单个大孔径成像系统的成像质量。为进一步的光学稀疏孔径成像关键技术研究奠定了实验基础。在典型光学稀疏孔径阵列结构的基础上，提出了复合孔径阵列结构。给出了它们的阵列结构形式，通过分析不同阵列结构调制传递函数的分布说明它们各自的特点。在理论研究的基础上，进行了光学稀疏复合孔径的光学实验，通过选择合适的光学系统参数，构建复合孔径成像系统，实验结果表明，光学稀疏复合孔径系统的MTF特点以及成像结果与数值仿真结果相符。 实验中，我们用稀疏孔径掩模板确保子孔径位于同一平面，自动满足共相条件，未来进一步的工作是建立各子孔径独立的光学稀疏孔径成像系统，考虑各子孔径间共相误差对系统成像质量的影响。