红外成像是一种将物体自然发射的红外辐射转变为可见的热图像的成像技术,具有实时性、非接触、非入侵以及操作简单等诸多优点,因此其在军事、工业检测、监控系统以及医学诊断等领域都有着重要的应用。然而由于半导体材料以及加工技术的限制,红外成像系统所拍摄的图像具有低分辨率、低对比度、细节少、噪声高等缺陷,因此红外图像的质量通常要远远低于可见光图像。通过改变红外光学成像系统的硬件设施来提高红外图像的质量,需要非常复杂的工艺和十分昂贵的造价。超分辨率重建技术可以通过软件计算的方式,从同一场景的一帧或多帧低分辨率图像经过计算获取一幅高分辨率的图像。因此将图像超分辨率重建技术与红外光学成像系统相结合,从而研究一种简单并且有效地获得较高质量红外图像的技术,具有重要的研究意义和应用价值。本论文针对红外成像系统及其超分辨率重建技术进行了研究。首先研究了红外微扫描成像光学系统,提出了一种红外透射式微扫描成像镜头的设计方案,并搭建了一个可控的红外微扫描成像光学系统。然后利用搭建好的红外透射式微扫描成像镜头采集多帧具有亚像素位移的低分辨率红外图像,进而提出了基于红外微扫描成像系统的超分辨率重建技术,并取得了优于现有的红外图像超分辨率重建技术的结果。最后为了获得更大的视场的高分辨率红外图像,研究了超大视场的红外全景环带透镜成像系统的成像原理及成像特点,提出了针对红外全景环带图像的超分辨率重建方法,为解决光学成像系统中大视场和高分辨率不可兼得的问题提供了一种有效的方法。本论文的主要研究内容如下:1.提出了一种红外透射式微扫描成像镜头的设计方案,并设计搭建了一个压电陶瓷驱动的可控的红外微扫描成像光学系统。传统的透射式微扫描成像系统中的望远镜系统和微扫描透镜是分开设计和装配的,本文设计了一个协同设计的中波红外透射式微扫描镜头,对望远镜系统和微扫描透镜同步进行匹配和优化。通过对优化后的系统的微位移量以及成像的衍射调制传递函数(Modulation Transfer Function,MTF)的结果进行测量分析,证明本文设计的系统可以保证各个视场在像面上位移量的一致性以及微扫描后成像质量的优良性。2.提出了一种基于频域相位谱的多帧红外图像超分辨率重建算法。将频域相位谱融合进凸集投影(Projection Onto Convex Sets,POCS)算法中来对红外图像进行超分辨率重建,从而能够获得分辨率明显高于传统的超分辨率重建算法结果的重建红外图像。同时将图像去噪方法与超分辨率重建算法同步进行迭代优化,相比于传统的将超分辨率重建算法和去噪算法分开处理的方法,本文提出的方法能够保留更多的图像细节并且更好地去除噪声。另外文中还提出一种基于频域相位谱的像质评价指标,该指标能够评价超分辨率复原结果对频域信息的复原精度,对评价超分辨率重建效果具有一定的指导意义。通过软件模拟实验和实际拍摄图像实验,证明本文的方法能够有效地提高图像的分辨率,去除噪声,具有较好的噪声鲁棒性和计算实时性。3.提出了针对红外全景环带图像的超分辨率重建方法。针对红外全景环带透镜成像图像不同于传统的光学成像图像的特点,提出了针对多帧红外全景环带透镜成像图像的基于凸集投影算法(POCS)的图像展开-超分辨率(Unwarping and Super-Resolution,U-S)联合重建技术,该方法对图像展开和超分辨率重建进行同步地计算和优化,并且采用自适应环状取像素点的方式来进行计算,提高了计算速度,可以更好地校正畸变,获得更高的空间分辨率。通过采用模拟的红外全景环带图像和实际成像系统拍摄的可见光全景环带图像来对算法进行实验,证明本文的算法可以有效地提高图像的空间分辨率、校正畸变并且提高计算效率。