空间目标天基观测系统是未来空间态势感知的重要发展方向,已成为当今空间探测领域的前沿性技术,对航天任务乃至国家安全都具有战略意义。本文依据目标几何成像理论、辐射理论以及光电理论,系统研究了天基空间目标光学观测的几何和物理模型,分析了天基空间目标光学探测能力,并对系统进行了优化设计。本文的研究工作和创新点主要体现在以下几个方面:1.在分析地基与天基两种空间目标观测手段各自特点,以及天基光学观测与雷达观测的优缺点对比的基础上,指出目前利用天基光学的手段对空间目标进行观测的可行性。总结了国外天基空间目标光学观测系统的发展现状,阐明了开展天基空间目标光学观测模型与性能研究的必要性。2.提出了一种多重约束条件下天基空间目标光学观测的几何可见性模型。利用目标卫星、观测卫星、地球、太阳以及月球之间的相对位置关系,推导出目标对于观测卫星的光学可见模型,建立了天基光学预报方法;并在经典的共线条件方程基础上,推导了考虑天基观测相机的二轴转台旋转参数,平台姿态分别采用欧拉轴角与四元数表示的天基空间目标光学观测几何构像模型。3.根据材料的非相干和相干散射特性得出的光散射经验公式,推导了基于有效入射界面积分的,利用有效入射截面积和平均反射率表示的复杂空间目标光散射模型,并且给出了基于计算机图形学精确获得有效入射截面与平均反射率的方法;设计了一种考虑材料光学特性,并且能够表征空间目标三维几何以及行为动作的一体化建模方法M-GBML。通过仿真实验,验证了复杂空间目标的实际建模效果以及光散射模型的正确性。4.综合利用辐射传输理论与光电理论,建立了太阳光经目标反射能量与单个CCD探测单元接收的光电子数之间的数学关系;利用线性滤波理论和光学成像理论建立天基空间目标光学观测过程中各个成像环节的传递函数(MTF)模型,并且分析了相对运动对影像质量的影响,以及观测平台本身的振动对成像的影响。5.推导了空间目标天基光学观测信号的探测灵敏度公式,定量分析了光学系统参数、CCD性能参数以及曝光时间对系统的极限星等探测能力的影响规律;根据这些影响规律,提出了多项提高天基光学探测能力的方法;研究分析了观测卫星轨道参数、相机指向、相机视场角、观测时间对在轨空间目标覆盖能力的影响规律,为天基空间目标观测系统的设计及指标选取提供依据。6.设计了一种小型动态空间目标光学信号与成像模拟系统方案,提出并实现了一种基于三维图形学的空间目标动态显示方法。详细阐述了恒星背景的模拟、空间目标的模拟、三维动态显示引擎的设计以及空间目标观测相机成像模拟的计算机实现途径,并给出了仿真试验结果。