在运动成像过程中，由于载荷平台的复杂振动及相机的摆动等原因使相机在曝光时被照物影像与感光介质之间存在相对运动，这种相对运动必然会导致成像的模糊，称之为运动模糊。这种因运动造成的图像模糊现象，极大地影响了光学遥感器的成像质量，使遥感图像的分辨率明显下降，对图像的进一步应用如特征提取、自动目标识别和图像分析等都相当不利，需要进行相应的处理，才能提高降质图像的利用价值。尽管通过改善机械装置、增设光学器件等硬件可以消除运动模糊，但是受到器件工艺、装调时间以及成本造价等多方面因素的限制。因此，从图像补偿的角度对运动模糊图像复原的理论及关键技术进行研究具有重要的应用价值和现实意义。本文在深入阐述国内外图像复原技术发展现状基础上，以有界变分空间的全变分理论为基本框架，对全变分图像复原理论、运动模糊的点扩散函数估计方法以及图像复原算法进行了深入的研究。论文取得的主要创新性研究成果如下：1.研究了非线性扩散和变分图像复原模型产生阶梯效应的原因，在分析高阶变分偏微分方程复原模型和自适应全变分复原模型抑制阶梯效应特性的基础上，建立了一种耦合梯度保真项的自适应全变分图像复原模型，开展了模型的理论可行性论证，讨论了模型的参数选取准则。实验证明，该模型保留了自适应全变分复原模型保护图像边缘的优点，弥补了全变分模型不完全符合图像处理形态学原则的缺陷，有效抑制了复原结果中的阶梯效应。2.研究了基于图像空域和频域特征的运动模糊参数估计方法，讨论了估计误差产生的原因，证明了基于频域特征的参数估计方法具有更高的精度。对于频域信息混叠的混合模糊图像，提出了一种基于倒谱分析参数估计的运动成像混合模糊全变分图像复原方法，通过分析图像倒谱特征估计出混合模糊参数，利用耦合梯度保真项的全变分图像复原算法实现图像去卷积。实验证明，该方法得到了较准确的混合模糊参数估计结果，有效抑制了运动模糊参数估计误差所导致的振铃效应。3.建立了耦合图像梯度分布超拉普拉斯全局约束、图像梯度保真局部约束以及模糊核概率分布约束的图像复原模型，提出了引入新颖先验约束的单幅模糊图像全变分复原方法。采用了交替迭代的模糊核估计和图像复原策略，用标准凸优化方法的内点法优化模糊核能量函数，通过变化分辨率的迭代算法实现了模糊核由粗尺度到细尺度的变化，图像复原的非凸能量泛函由交替半二次型算法来优化实现。仿真和实拍模糊图像复原结果表明，该方法抑制了不可避免的模糊核估计误差所导致的振铃效应，保护了图像边缘，缓解了阶梯效应，保留了更多图像细节。4.提出了一种图像梯度倒谱分析的单幅模糊图像复原方法。首先根据梯度倒谱中PSF的再现信息确定其尺寸，避免了交替迭代算法中需要预先设定或根据迭代终止准则判定PSF尺寸的缺陷，采用相位恢复算法实现PSF估计，提高了估计效率；然后，利用全变分正则化的交替方向图像复原算法，进行快速图像去卷积复原。实验证明，该方法实现了快速、准确地估计出PSF，克服了传统交替迭代估计模糊核和图像复原算法计算量大、收敛速度慢的缺点，提高了运算效率，并获得了更自然的视觉效果。运动模糊图像全变分复原理论及关键技术的研究，在提高运动模糊图像质量的同时，为进一步提高光学成像系统的性能提供科学判据，而且还可以用于智能交通、军事国防、公共安全等诸多领域，为相关研究提供理论和技术参考。