静止轨道对地观测系统以其高时间分辨率、大区域覆盖能力及对热点目标长时间定点持续观测特性得到各航天大国的广泛关注,研制静止轨道高性能红外凝视成像系统是一个复杂而艰巨的任务,随着大视场光机结构和大面阵焦平面技术的发展,这方面的研究正处于起步阶段并受到持续关注。本文对静止轨道探测系统及目标、背景特性进行了详细调研分析,结合凝视型红外成像系统设计要求,进行了大视场大口径小F数红外光学系统设计、外遮光罩消杂光设计、透射式红外光机系统杂光抑制措施分析等关键技术的研究。为了实现静止轨道红外光学系统对地球全圆盘凝视观测及复杂背景下导弹点目标探测的要求,提出了基于光阑二次成像的透射式光学系统初始结构计算方法,通过边缘光线抑制和材料匹配的设计方法,实现了光学视场18°×18°,入瞳口径300mm,F数1.26的100%冷阑匹配的大视场大口径小F数光学系统设计和优化。该系统在215k低温环境下系统光学传函(MTF)大于0.6,且在206K~221K温度容限下MTF不低于0.5,满足下一代空间红外凝视成像系统应用需求。针对静止轨道红外光学系统在轨工作期间太阳杂光及自身热辐射引起信杂比下降、成像质量变差问题,建立了目标及杂光模型,提出了基于导弹点目标探测的杂光抑制PST评价标准;实现了全反射结构与黑体腔结构相结合的改进型二阶外遮光罩设计,得到太阳遮蔽角36°处系统PST值小于10-8;分析了在轨观测系统太阳杂光及内部热辐射影响,得到了系统信杂比为1时,中波谱段太阳光入射角±23°,短波谱段太阳入射角为±24°,影响系统在轨运行时间约2h左右;得到了仪器杂光对中波探测谱段影响是短波谱段的10倍左右,通过内挡光环设计及结构表面涂层设置,实现了中波背景辐射降低约83%,信杂比由0.326提升为1.94。针对制约大视场大口径小F数红外光学系统设计及杂光抑制的冷阑匹配效率问题,研究了以系统信杂比为标准,完全匹配和不匹配红外光学结构杂光的抑制能力,得到二者系统信杂比分别为17.5和12.04;在此基础上,研制了两套不同匹配效率缩比红外光学镜头,实测得到镜头传函大于0.3,采用双黑体成像模式,得到不同杂光情况下,冷阑匹配镜头系统信杂比相比不匹配镜头提高约40%,冷阑匹配设计手段实用可行。