近年来,航天科技飞速发展,航天发射活动日益频繁,空间碎片的数目、总质量、总面积快速增长,空间环境日趋恶化。空间碎片严重威胁在轨航天器的运行安全,也严重阻碍空间活动的可持续发展。国内外主要的航天机构,都在积极开展空间碎片的研究工作。空间碎片探测是空间碎片其他研究领域的主要数据来源,也是空间态势感知、空间交通管理的重要基础。地基光学望远镜技术成熟、造价低廉、维护方便,是进行中高轨空间碎片探测的重要手段。利用地基光学望远镜对空间碎片开展测光观测,可以获取空间碎片的角度、光度随时间的变化,测角数据可用于空间碎片的初轨确定、轨道关联,光度数据可用于空间碎片的特性反演。山东大学威海天文台坐落于山东半岛最东端,配备有1台100cm 口径、1台60cm口径的光学望远镜,望远镜成像质量良好,机械性能优异。山东大学威海天文台计划于2022年内在慕士塔格部署完成4台15cm口径大视场光学望远镜。这些都为我们开展空间碎片的测光观测研究提供了便利的条件。本文基于山东大学威海天文台现有的设备条件,开展了系统的空间碎片测光观测理论和实测研究工作,在测光观测原理分析、测光观测策略制定、测光图像处理、光变曲线分析等多个研究方面,给出了我们独特的见解和解决方案。首先,本文系统分析了空间碎片的测光观测原理,包括空间碎片的视运动、空间碎片的光变机制、以及空间碎片在望远镜终端的成像。空间碎片的视运动对望远镜的跟踪机构和跟踪策略提出了要求,也决定了空间碎片和背景恒星在底片上的成像。空间碎片的光变机制与光度模型,既是空间碎片测光观测的理论基石,也是利用光度进行空间碎片特性反演的重要前提。在理论分析的基础上,本文构建了一套基于光子映射的空间碎片测光图像仿真系统,该系统能够生成指定碎片在指定观测条件下（跟踪模式、曝光时间、轨道等）的逼真的模拟图像。图像仿真能够指导观测策略的制定,解释某些特殊的观测现象（比如星像的扭曲）,还能为测光图像处理系统的开发提供完备的数据集。其次,为了适应山东大学威海天文台1m望远镜的运行需求,本文探索了使用单望远镜进行空间碎片后随测光观测的智能化策略,提出了“品质因子”的概念,用以衡量望远镜的观测效能。在分析“品质因子”影响因素的基础上,构建了一套空间碎片观测策略制定程序。该程序能够根据碎片编号,从space-track上获取最新的两行轨道根数,并进行轨道计算,同时考虑位置、月光等因素对观测质量——“品质因子”的影响:在满足任务需求的前提下,衡量不同的目标组合及时间分配方式,使望远镜的“效能”最大化。最后将最优的策略以可视化的方式呈现给计划制订者,在人工筛查确认后输出,供望远镜执行。再次,本文介绍了空间碎片测光图像处理的基本需求和一般流程,并着重解决拖长、暗弱、扭曲星像的位置和流量提取问题。空间碎片相对于背景恒星的快速的视运动,导致空间碎片或背景恒星的星像拖长、信噪比降低、对比度减弱。拖长星像的提取一直是空间碎片测光图像处理的重点和难点,本文提出了一种基于模板匹配的拖长星像提取方法,详细描述了该方法的基本原理和操作流程,并在模拟图像和实测图像上进行了测试,结果表明,与传统的阈值分割方法相比,基于模板匹配的拖长星像提取方法召回率更高、位置和流量提取的误差更小。最后,本文探索了基于光变曲线的空间碎片特性反演方法,并对现有的光变曲线进行了分析,得到了相对可靠的姿态、稳定方式等特性信息。本文从理论上分析了光变周期与碎片自旋的本征周期之间的关系,并结合几颗自旋目标的实测的光变曲线进行了分析。当空间碎片的镜面反射比较强时,在某些观测角度,光度会急剧增强,这被称为空间碎片的“闪光”,本文分析了“闪光”的成因,以及“闪光”的位置、幅度、宽度、对称性、上升时标、下降时标与碎片特性之间的关系,得到了一些有用的结论。此外,本文还利用机器学习的方法,对空间碎片的稳定方式进行了判断,判断的准确率和召回率均高于90%。