红外系统的作用距离参数是表征红外系统成像性能的重要指标。目前, 红外系统作用距离的计算方法有多种, 但都有其各自的适用性和局限性, 因此需要考虑不同条件下多种因素对作用距离的影响。本文基于探测能量、基于噪声等效温差(NETD)的和基于对比度的 3种点目标探测的作用距离模型, 发现在不同条件下应用的局限性。当观测目标为人时, 基于 NETD的模型计算作用距离为 8.74 km, 与外场实验数据更为接近。而当观测目标为飞机时, 基于能量的模型计算作用距离为32.04 km, 与外场实验数据更为接近。结果表明, 针对不同特征的目标, 选取适当的作用距离计算方法有助于提高系统作用距离估算的准确度。

天基红外观测场景中云场景具有几何结构动态变化复杂、尺度变化随机、辐射动态变化不确定的特点且与天基动态探测链路耦合，对系统探测效能造成极大影响。因此，开展云场景仿真方法研究对天基红外光学卫星系统设计具有非常重要的意义。针对传统仿真方法在大尺度动态云图像仿真应用中计算效率低、占用内存大的问题，提出了一种基于时序平滑多尺度叠加方法的动态云图像仿真方法，在基于多尺度叠加算法进行云层整体位置移动仿真的基础上，利用帧间插值的方法实现动态云层形状结构变化，计算效率提高10倍以上，真实模拟云场景的整体移动与内部变化，实现大尺度动态云图像的仿真。

红外系统的探测距离是光电系统的关键指标之一, 决定了系统的整体性能。在实验室条件下评估红外系统的探测距离, 不受天气、场地限制, 具有实际意义。从探测器的输出信号与黑体目标温度的关系着手, 推导了 NETD的表达式, 用 NETD表达了小哈德逊公式, 并验证了该公式的正确性, 用该方法推导的指标与理论计算指标的误差在 10%以内, 证明了该方法的可行性。

针对现有红外系统作用距离模型影响因素考虑较少、难以准确评估系统探测能力及目标红外隐身效果的问题，开展空基红外系统作用距离建模及应用案例分析。分析典型红外系统作用距离的 影响因素，定义大气光谱透过率与作用距离的隐函数，基于大气垂直高度层上温度差异明晰光谱辐射强度分布模型，考虑目标红外光谱辐射线型特征推导大气透过率加权修正系数，进而构建了综合 目标光谱辐射特性、大气温度和红外系统高度等多种因素的空基红外系统对点目标作用距离模型。基于该模型，对不同类型空基红外系统的探测能力及不同类型目标的红外隐身性能进行了比较和分 析。结果表明，对于导弹、飞机类目标，采用大口径、长波段系统设计有利于提升空基红外系统对目标迎头方向探测能力，大口径中波红外系统对目标尾后方向探测能力更强；小尺寸、低表面发射 率、低速飞行目标的红外隐身及突防能力更好，目标在平流层飞行时隐身性能要优于对流层和中间层飞行目标。

仅用 3片透镜，设计了一款匹配 640×512氧化钒非制冷长波焦平面探测器的红外系统。该系统焦距为 100 mm，F数为 1.1，总长为 107 mm，工作波段范围为 8～12 .m，引入一片二元衍射面实现无热化温度补偿功能。利用 ZEMAX进行仿真设计，结果表明：在－40℃～＋60℃温度范围内，系统奈奎斯特频率（30 lp/mm）处 MTF均达到 0.49，接近衍射极限。该系统具有焦距较长，相对孔径大、全视场像质优良、温度适应良好、二元面衍射效率高、易于加工和结构紧凑的特点。

采用自制的M′波段(4.605~4.755 μm)红外辐射测量系统对阿里观测站、德令哈观测基地和怀柔观测基地的大气辐射进行实地测量, 并对结果进行拟合和误差分析。首先, 基于黑体定标结果和辐射传输方程, 得到输出有效读数与平均大气透过率和天顶角的关系公式; 在三个站点对不同天顶角下的大气红外辐射进行扫描测量, 利用上述公式, 拟合出M′波段平均大气透过率。结果表明, 三地透过率的加权平均值分别为0.805、0.758、0.650, 透过率随时间的起伏分别为0.081、0.250、0.073, 高海拔的阿里观测站透过率最高。用MODTRAN软件模拟的平均透过率分别为0.851、0.805、0.615, 与实测结果接近; 误差分析表明: 有效读数越大, 传递误差越小, 此方法的理论误差优于10%。文中提供了一种不依赖气象数据, 实时获得大气透过率的方法。

为了适应不同视场光谱仪的应用需求, 设计了一款offner型连续变焦中波红外光谱成像系统。该系统引入前置变焦系统实现60~300 mm范围连续变焦, 同时采用光栅型offner 同心结构进行光谱分光及成像, 系统工作波段为3~5 μm, 选用制冷型红外探测器, 系统F#=4.0。根据物像交换原则及光焦度分配原则对前置变焦系统和中继系统的初始结构进行了计算, 并应用zemax软件对各子系统进行优化, 使其满足设计参数要求。最终offner型连续变焦中波红外光谱成像系统的调制传递函数在空间频率33 lp/mm处接近衍射极限, 点列斑均方根半径均小于一个像元大小, 设计的结果显示系统结构简单, 在各个焦距位置及各谱段下, 像质均满足了设计指标要求, 成像质量良好。