相位差法在探测波前畸变的同时,还能作为一种事后处理方法恢复出目标像,在高分辨力成像领域有着巨大的发展潜力。本论文围绕波前探测和图像恢复的两大应用领域,对相位差法的关键技术进行了较为深入的理论和实验研究,主要做了以下工作:首先,分析了光学系统成像的基本原理,分别针对相干和非相干光成像的情况,推导了像平面光强分布的计算公式,证明了在点目标情况下,不管目标发出的光是相干还是非相干的,像平面上的光强分布是相同的,为后文的仿真和实验奠定了理论基础。利用极大似然估计和最小二乘估计确定目标函数,并分析了利用多幅图像估计波前相位的必要性。为了实现多幅图像的同时采集,本文设计了一种光栅型相位差波前探测器,相对于以往平移相机的方法这种结构的波前探测其更能符合相位差法的要求。其次,根据相位差法的基本原理,详细推导了目标函数梯度的解析表达式,并利用最速下降法、共轭梯度法以及拟牛顿法等最优化算法对相位差波前探测技术的进行了仿真分析和比较。结果表明,使用离散采样点表述波前时,L-BFGS算法无论是在计算时间上还在是探测精度上都能明显优于文中的其它算法,是相位差法较为理想的选择。然而,当待测波前动态范围较大时,目标函数的非线性程度较高,传统算法的解易陷入局部极值而导致收敛停滞。为了解决这一问题,本文提出了一种适于探测大像差的混合优化算法,大大提高了相位差法对大像差的探测精度。为了验证仿真结果,本文针对点光源搭建相应的实验平台对不同类型、不同大小的静态像差进行波前探测实验,并首次专门对相位差波前探测系统的各种误差进行了详细而系统的研究,并给出了消除和减小这些误差的方法,使探测精度成倍提高,将探测误差的均方根值降低到λ/100左右。再次,将相位差法应用于光学遥感系统中,设计了一套基于相位差法的光学遥感系统,对该系统了进行仿真分析,并根据Bayer滤镜的原理首次设计了基于相位差法的彩色遥感系统。多组仿真数据表明,基于相位差法的光学遥感系统可有效地消除光学系统自身像差和大气湍流等因素对遥感系统分辨能力的影响,从而获得更高分辨率的遥感图像。基于相位差法的彩色遥感系统不仅可以减小波前畸变对成像质量的影响,而且可以得到彩色图像,使所得图像携带更多的可视化信息,更符合人类的感知。最后,把相位差波前探测和相位差图像恢复技术结合起来构成基于相位差法的混合处理技术并分别在点目标和扩展目标情况下对基于相位差法的混合处理技术进行了数值仿真。针对点目标,首次建立基于相位差波前探测和液晶空间光调制器的闭环自适应光学系统对不同湍流强度下相位差法混合处理技术的性能进行了实验验证。仿真和实验结果均表明,基于相位差法的混合处理技术可以克服自适应光学校正后剩余波前畸变的影响,消除残存模糊,进一步提高成像系统的分辨能力。