本发明公开用于低信噪比图像序列的频空时域联合去噪与恢复系统，属于气动光学与图像处理相结合的交叉领域。去噪系统包括：频域去噪模块，用于获取像方含噪目标图像，采用高斯环状滤波算法去噪；空域去噪模块，用于对频域去噪后的图像，采用梯度最小化的L0平滑滤波算法去噪；时域去噪模块，用于对空域去噪后的图像，采用连续多帧取平均方式去噪。恢复系统还包括：传输效应校正模块，用于采用一阶不变矩约束的最大似然估计方法，校正多域去噪图像；恢复模块，用于对校正后图像进行传感器去模糊和超分辨率，得到最终恢复图像。图像经本发明提出的系统处理后，信噪比有明显提高，校正图像保留更多的边缘和细节信息，同时有效提高目标图像的分辨率。