为了实现超小型化、长焦距和超大视场,提出并设计了一种高集成度四视场中波红外光学系统。该系统采用双光路结构形式,包括超小视场光路和小/中/大视场光路,两支光路共用中继组；对超小视场光路进行了四次立体折叠,并对小/中/大视场光路进行了二次折叠。通过以上六次折叠,整个双光路光学系统的外形尺寸得到了有效约束,其外形包络在242 mm×150 mm×85 mm (局部125 mm)范围内,系统集成度高。这种双光路光学系统包括超小视场、小视场、中视场和大视场四个视场。其中,超小视场的焦距为688 mm,视场为0.8°；大视场的焦距为13.19 mm,视场为40°,实现了长焦距和超大视场并存,并获得了50×的变倍比；超小视场光学系统仅采用5片透镜,透过率高,并具有光学被动消热差设计；整个双光路光学系统结构紧凑,体积小,实现了超小型化。设计结果表明,该光学系统像质良好,可以满足高性能热像仪的使用要求。

超大视场红外凝视成像系统具有视场大、被动探测、凝视探测等独特优势，但当系统用于弱小目标检测时，由于背景复杂、噪声干扰、目标信息少等问题，检测的准确性和效率往往不高。本文通过采用超大视场中空时域融合处理的思想，提出了一种基于最大化背景模型进行背景抑制的改进方法。该方法首先通过图像预处理、多帧差分选取研究区域；然后通过改进的背景预测模型检测疑似目标点；最后，利用邻域相关准则判定真实目标。通过实验证明：该方法将原方法中的目标信噪比提高了5 倍以上，灰度值提高了10 倍以上，而且保留了更多的目标信息。同时目标检测时间减少了50%以上，提高了检测准确性和检测效率。

热红外成像光谱仪广泛应用于工业研究、环境监测以及自然资源探测等多个领域。随着大面阵红外探测器技术的发展，大视场大相对孔径热红外光谱仪已成为遥感领域新的发展方向。本文介绍了一种基于凸面光栅的同轴Offner 结构，对常规Offner 结构进行改进，仅使用一块大凹面反射镜，在凸面光栅的位置插入带有负像散的校正透镜。设计验证结果表明，这种结构在热红外波段具有非常优异的表现，较传统Offner 结构能实现更大的视场，更小的F 数。最后利用这种结构设计了60 mm 狭缝视场，F 数为2 的热红外光谱仪，其成像弥散斑直径小于5 mm，MTF 达到衍射极限。该热红外光谱仪系统结构紧凑，非常适合航天航空遥感的应用。

针对超大视场红外凝视成像系统用于目标检测时存在的背景复杂、杂波干扰多、目标信息少等问题, 提出了基于空时域融合处理的目标检测方法。该方法在空域部分优化设计Robinson算子, 完成单帧图像的目标初始检测; 然后结合超大视场成像特性, 利用基于天地线检测的图像区域自动划分和空域虚警抑制方法, 有效滤除非目标检测区中的疑似目标。在时域部分则兼顾目标时域特征, 采用基于时域多特征约束的邻域判决法对真实目标进行时域确认。开展了月空背景下的空中目标检测试验, 验证了本文算法的有效性。试验表明: 经空域部分处理后, 原始图像中的背景杂波干扰大大减少, 目标局部信噪比提高了1.3倍以上, 而且疑似目标数目减少了70%; 经时域部分处理后, 可成功检测出红外弱小目标, 并输出其轨迹, 检测概率在95%以上, 而虚警率不足1.5%, 最低目标检测信噪比为2.86。实验表明: 本文方法适用于超大视场图像的红外弱小目标检测, 对地物背景、恒亮孤立点源、瞬时强噪声等干扰有较强的抑制能力, 对点状运动目标有良好的检测效能。

应用椭球形整流罩的飞行器具有良好的空气动力学特性，但由于头罩的非旋转对称结构特性，后续红外搜索/跟踪成像系统难以同时实现大扫描视场与良好成像质量.为解决这一难题，提出一种基于拱形校正元件和动态校正器的椭球形整流罩光学系统设计方法，使用该方法设计的中波红外头罩光学系统具有±54°的超大扫描视场，且成像质量在整个扫描和瞬时视场内接近衍射极限.