光学成像计算增强技术是计算光学领域的重要方向，它基于图像信号的产生机理对信号的获取过程进行计算调制，突破光学系统和探测器等成像器件的物理限制，提升系统潜力，增强成像数据质量，达到降低系统的复杂度、提高系统综合指标的目的，具有重要的研究意义和广阔的应用前景。本文针对光学系统像差和探测器欠采样对成像质量的限制，重点围绕两个方面开展基于计算处理的数据增强理论方法研究，首先，通过像差数字校正算法与传统光学设计相结合，进行像差选择性校正策略研究，降低光学系统的复杂度;其次，利用多帧图像超分辨重建方法突破探测器像元采样分辨率的限制，提高成像分辨率，等效减小光学系统焦距、体积、重量。论文的主要研究工作如下:　　(1)分析了光学系统像差和探测器采样对成像系统的影响，总结了像差数字校正和超分辨率重建的发展和研究概况，归纳了光学成像计算增强技术尚需深入研究的主要问题。　　(2)介绍了光学成像计算增强的数学和物理机理，分析了像差数字校正和超分辨率重建在观测方程求解方面的异同，以及对系统调制传递函数增强的区别与联系。　　(3)将像差数字校正算法与传统光学设计相结合，提出了一种基于像差选择性校正策略的光学/数字处理联合设计方法。首先，根据泽尼克多项式模型分析了每种像差对成像清晰度的影响;然后，在变分贝叶斯框架下，提出了基于加权双向差分先验模型的像差数字校正算法，仿真结果表明提出的先验模型相比全变分模型重建结果的PSNR值更高且具有稳定的收敛性;进而，将像差分为易于数字校正和不易于数字校正两类，对不易于数字校正的像差用传统的光学设计校正，对易于数字校正的像差使用算法校正。最后，采用联合设计方法设计了三镜片大像差光学系统，其奈奎斯特频率处的MTF值约为0.50，采用传统方法设计的六镜片光学系统MTF值约为0.53，结果表明两系统成像质量相当，本文方法可降低系统复杂度。　　(4)在频域内提出一种改进的多帧图像分辨率增强方法。在图像序列配准方面，综合考虑频谱混叠和插值变换等因素对图像频谱相位差的影响，建立了更准确的亚像元位移提取模型。在图像复原方面，基于同步纹理自回归先验，建立了图像的联合高斯分布模型，并结合层次贝叶斯方法对插值重建结果进行复原。对均匀亚像元位移仿真数据及5dB、10dB、15dB、20dB、25dB、30dB、35dB信噪比下非均匀亚像元位移仿真数据的超分辨率重建结果表明，提出算法重建结果的PSNR值和SSIM值均高于传统的空域插值法和频域插值法，能够抑制因配准和插值误差导致的锯齿效应。对ISO12233靶标的实拍数据超分辨重建结果表明，提出算法能够一定程度的解除探测器欠采样导致的频谱混叠。　　(5)面向空域内超分辨率重建算法的全局优化，基于成像方程的概率形式解，在变分贝叶斯框架下提出基于梯度自适应加权双向差分先验模型和基于梯度自适应加权双向L1范数先验模型，来充分约束图像的边缘信息和非边缘信息，在提升图像分辨率的同时抑制了噪声的放大和传播，进一步的缩小方程的求解空间，削弱反卷积的病态性。对均匀亚像元位移仿真数据及5dB、10dB、15dB、20dB、25dB、30dB、35dB信噪比下非均匀亚像元位移仿真数据的超分辨率重建结果表明，提出的基于梯度自适应加权双向差分先验模型的重建结果的PSNR值和SSIM值均高于基于全变分先验模型的重建结果，提出的基于梯度自适应加权双向L1范数先验模型重建结果的PSNR值和SSIM值均高于基于L1范数先验模型的重建结果。对ISO12233靶标的实拍数据超分辨重建结果表明，提出的两种算法能够较大程度的解除探测器欠采样导致的频谱混叠。　　(6)针对航天高分辨率对地观测应用，提出了一种超分辨率成像方案。图像获取上，以面阵CMOS探测器对同一地物目标多次曝光的方式，利用卫星姿态控制偏差和地速补偿来获得多帧具有亚像元信息的图像;在成像系统设计上将光学系统F数、探测器像元尺寸、超分辨率重建效能因子联合起来，形成超分辨成像系统设计参考函数;重建算法上将本文频域算法配准参数和图像复原参数的计算结果作为本文空域算法重建参数的初值，提高了重建精度和效率。并将该方案应用于CX6(02)微纳卫星光学成像载荷设计中，该星在轨成像的超分辨率重建结果表明，提出的设计方法能够有效提高成像分辨率和信噪比。