针对天文观测和深空探测需求，提出了星载10 m合成孔径相干成像望远镜概念和形式。给出了波长可调谐激光本振相干探测器形式，分析了大口径衍射薄膜镜的双波段实现方式和系统主要参数。提出了基于子镜结构的光学合成孔径相干成像算法，给出了基于相位恢复的阵列形变误差波前估计仿真结果，由于多个子镜所接收复信号的成像处理在计算机软件中完成，相比传统望远镜，可降低对微调机构等硬件的精度要求。该望远镜在短波红外1.45~1.65 μm光谱范围内的中心波长角分辨率为0.15 μrad；在中波红外4.55~4.75 μm光谱范围内的中心波长角分辨率为0.46 μrad，其探测灵敏度在原理上是传统10 m口径望远镜的约2.8倍。

衍射光学系统具有大口径轻量化的优点，但其光谱范围较窄，能利用的红外信号能量较小，通常认为采用后会使红外相机的探测信噪比降低。基于衍射光学系统，分析了对地观测红外相机的目标探测性能，结合一个非制冷红外相机信噪比计算示例，明确了在地物背景和目标光谱特性不同的条件下，基于衍射光学系统的红外相机仍可能具有良好的目标探测性能。同时将红外相机等效噪声功率与激光和电子学系统进行对比，提出了红外探测系统的性能还可能进一步提高的观点，给出了一种引入激光本振结合电子学滤波细分红外光谱降低等效噪声功率的方法。

本文分析了红外干涉成像现状和难点，介绍了激光本振红外相干探测的原理，阐述了基于电子学的红外光谱细分和干涉成像原理，讨论了激光本振红外阵列探测器形式。激光本振和相干探测器的设置，可保证两个望远镜的红外信号相位的正确传递，在电子学实施窄带滤波形成的窄带红外信号有利于实现长基线干涉成像。在此基础上，类似微波综合孔径射电望远镜，通过不同空间位置的多个较小孔径，组合形成一个大的光学口径，以红外光谱“射电”望远镜形式实现高分辨率天文成像，可大幅降低红外成像系统的复杂度和体积重量。介绍了平流层飞艇平台的特点，该平台为长基线大衍射口径望远镜的安装提供了有利条件，且可大幅减少大气对天文观测的影响，有望成为天文观测的新型平台。给出了10 m基线、2 m衍射口径红外光谱干涉成像望远镜的布设方案，分析了其探测和成像性能，讨论了关键技术及其可能的技术途径。分析表明，基于平流层飞艇平台，3个2 m衍射口径望远镜的组合在10 m基线下可等效实现口径10 m望远镜的红外天文观测能力。