混浊大气中的分子、气溶胶粒子会导致光电探测设备所采集图像的成像质量严重退化,环境光(包括太阳直射光、大气漫射光等)经过大气粒子散射后的辐射,以及大气本身热辐射叠加到目标像元和邻近像元,造成图像对比度下降。基于大气透过率与大气散射光大气图像光学退化近似模型被广泛应用。大气透过率仅可以表征图像固有亮度的衰减,而点扩散函数(PSF)或其傅里叶变换调制传递函数(MTF)则能够全面描述混浊大气对图像质量的影响,包括图像亮度的衰减及邻边效应造成的图像模糊。早期基于小角散射近似获得的混浊大气MTF解析表达式只适用于低频和高频条件,近期根据辐射传输原理获得的混浊大气介质MTF的等效原理给出了 MTF在整个频域范围内的完整描述。本文考虑大气散射光作为外部因素对图像质量产生影响,并将混浊大气MTF与大气散射光分量对成像质量的影响作为一个整体考虑,由此获得图像退化在频域的完整表达—表观MTF。基于对大气中图像退化过程的分析,本论文主要完成以下内容:1)完成了混浊大气调制传递函数(等效原理)校验;相对于小角散射近似MTF模型,混浊大气MTF的等效原理可以准确的给出全部空间频域内的整体MTF。本文分别通过实际成像实验以及Monte-Carlo数值模拟的方法验证了等效原理的可靠性。并基于等效原理对小角散射近似模型进行适用性分析。2)探索了从图像中获取影响混浊大气介质MTF的光学厚度τ或大气透过率T的方法;根据大气中光学退化模型及暗通道先验理论,成像波段的大气透过率可以直接从图像本身的信息获得,依据各波段消光系数数据库获得目标波段的大气透过率,与能见度仪及激光雷达的测量结果对比表明,本文提出的大气透过率测量方法有效可靠。3)实现了背景光下图像退化过程的完整频域描述;混浊大气介质MTF直接反映大气分子和气溶胶粒子的吸收和散射造成目标像元固有亮度的衰减及模糊以及邻近像元大气散射辐射叠加到目标像元而造成目标像元的边缘模糊;大气散射光直接对图像零频分量影响,直接表现为图像对比度的降低。本文将上述两方面的影响纳入到一个整体表达,并称为表观MTF。4)从频域角度提出了图像质量评价的方法;基于天光背景下图像退化过程的频域描述,本文模拟了清晰图像的模糊以及实现了退化图像的大气校正,图像模糊效果较传统的高斯模糊的结果更接近实际情况,图像校正效果较暗通道先验理论好。提出了图像质量评价的参量—谱面积SA,并与传统的基于统计原理的数字图像评价方法进行了对比。5)混浊大气表观MTF光谱特性研究;等效原理显示混浊大气介质MTF与光学厚度、非对称因子及单次散射反照率等参数有关,由于这些参数具有明显的光谱特性,相应的混浊大气介质MTF及表观MTF也具有光谱特性。分析表明:MTF的中高频分量在可见及近红外波段高于中红外波段,而表观MTF的零频分量则相反。6)初步实现了基于MTF光谱特性的成像波段优选。依据表观MTF的光谱特性模拟仿真了不同波段的实际成像效果,显示近红外成像波段因其表观MTF在中高频高、零频低的特性而成像质量较好。通过与实际卫星图像的对比分析验证了这一结论。论文也给出了成像波段优选的准则并与其他波段优选方法进行对比,分析了不同条件下混浊大气、湍流大气及光电成像系统三部分对成像质量的影响。