随着科学技术的巨大发展,人们对信息的需求与日俱增。图像作为信息传递的重要载体,在航空、军事、生物医学、天文气象、地理、工业以及农业等人类生活各个方面广泛应用,它在人们生活中的作用不可取代。但是由于各种环境及其它因素的制约,如典型的热源辐射空气环境,不可避免地会带来图像的失真和变形。本文在实验和理论分析的基础上,对热源辐射空气环境下变折射率介质中的光学成像影响进行分析研究,获得了光学成像变形的规律和幅度,利用统计计算和数字图像算法对图像进行补偿。本文的主要工作包括以下几个方面:通过非均匀介质中的光学理论分析,得到非均匀介质光波传播的基本公式和传递函数。完成了球形空气团模型和变折射率空间光线追迹算法,求出了的空间成像变形,理论计算与实验的相符,为变折射率空间成像分析奠定了基础。研究了有无热源辐射的情况下图像变形现象,确定了图像变形的总体分析方法,得到了图像变形的总体规律。采用高速摄像仪和高像素数码相机进行了热源辐射环境下空气折射率分布变化引起光学成像变形的实验研究,获得了成像变形随时间、热源温度高低、热源距离远近变化的影响规律。根据大量的实验计算和相关理论分析获得的变形规律和幅度,通过统计计算和图像处理方法进行了图像位移和畸变的补偿,提高了图像的质量和测量精度。