针对当前各领域对图像超分辨率复原技术的高需求,本文从常见复原方法的局限出发,分析了光学系统成像的原理和机制,以此为基础通过理论推导和仿真验证,对图像超分辨率复原和成像质量提升的思路和方法进行了讨论。主要内容如下:1.在对图像超分辨率复原的发展历程和研究现状进行广泛调研的基础上,指出了现行多数常见复原方法的局限:其主要思路都是对原始低分辨率图像进行数学处理得到高分辨率复原图像,而很少考虑如何结合光学系统的成像过程,从物理本质上进行优化得到高分辨率图像。2.对光学成像的原理机制等方面开展基础性研究。从光学成像过程的机理入手,讨论了光学系统中薄透镜的相位变换和傅里叶变换作用;深入讨论了透镜口径对空间频率的截止作用,同时给出了考虑透镜口径影响后的复振幅表示式,还探讨了物距对傅里叶变换的影响。然后详细阐述了光学系统传递函数的相关理论,为利用传递函数来对光学成像过程进行探究奠定了基础。最后,文章对物体由不同空间频率信息组合的原理进行了论述,引入了在频域对图像进行处理的方法。3.对超分辨率复原的新思路和方法进行了讨论。从光学系统成像的原理出发,对一维矩形光栅的成像进行仿真分析,由其成像特征并结合理论分析得到基于带宽外推的超分辨率复原新思路。将其推广到一般输入物,并论述了其数学原理,进一步提出了基于先验信息的复原思路。4.基于波前编码的成像质量提升方法的讨论。针对传统光学成像系统存在的景深受限导致离焦时成像质量变差、分辨率降低的问题,采用了波前编码技术对成像系统进行优化。对波前编码成像能够扩展成像景深的原理进行了说明,并进行了仿真验证。针对探测器像元尺寸限制带来的空间频率截止问题,采用了结合图像放大的超分辨率图像复原方法,进一步提升了成像系统的性能。5.基于距离选通技术的成像质量提升方法的讨论。针对气象不佳条件下超分辨复原技术的应用,讨论了基于距离选通技术的成像质量提升方法,通过理论分析、仿真及实验验证了该技术能够较好地抑制了大气后向散射带来的影响,提升成像的信噪比,提高成像质量。本文的研究充分结合了光学系统成像过程的原理机制,提出了一种图像超分辨率复原的新思路,以及基于波前编码、距离选通技术的成像质量提升方法,对于该领域的研究具有一定意义。