随着雷达隐身技术的发展,隐身目标的雷达散射截面进一步降低,使用传统的雷达探测手段不但易被目标识别且探测效果并不理想。辐射计通过被动地接收目标自身固有的且基本无法隐藏的微波热辐射能量信号对其进行探测,隐蔽性强,且对于涂敷吸波材料的隐身目标,其向外的微波辐射强度更高,更有利于毫米波辐射计的探测。本文从毫米波辐射计的目标检测机制入手,系统地研究了空域目标和背景的辐射特征,并构建了一套完整的毫米波辐射信号探测模型。为了提高系统的探测性能,研究并设计了具有高增益、高分辨率、宽视场的焦平面阵列天线。首先基于晴空背景环境,研究了毫米波热辐射信号的传播特征,并考虑到大气折射和地球曲率的影响,设计了一种适合于远距离高空目标的微波辐射信号的分层传输模型。采用射线跟踪法对不同工作频段、不同季节环境下毫米波辐射计、空中目标、地物以及大气背景进行综合仿真分析,得到了辐射计工作于8mm波段和3mm波段大气向下辐射的天空亮温。在此基础上,对复杂天气背景的毫米波辐射传输特性进行了研究,在较低工作频段时,云雾、微小雨对毫米波辐射信号传输的干扰较小,毫米波辐射计可以实现准全天候工作。其次,结合所研究的毫米波热辐射信号的传输特性,对空中目标毫米波被动探测模型进行研究,通过分析不同频段下传统的空中金属目标和涂敷雷达吸波材料的隐身目标的微波辐射特性,得到空中目标的微波辐射亮温计算方法。采用缩比模型,对所提出的模型进行实验验证,证明了该模型的有效性。最后为解决远距离探测系统中高增益天线波束窄而导致的波束覆盖范围小、系统的全空域扫描时间慢这一问题,对高增益、高空间分辨率、大视场的焦平面阵列天线进行分析和研究。设计了高增益小尺寸馈源喇叭天线,并在整个W波段都能实现良好的阻抗匹配,其远场方向图具有低旁瓣特性、优越的旋转对称性、稳定的11d B波束宽度及相位中心。采用该喇叭天线作为馈源,反射面的增益高达62.2d Bi,空间分辨率可达0.13°。64路馈源直线分布,焦平面阵列天线的垂直视场可达15.5°。为了进一步扩大视场范围,基于Zernike多项式对波束进行赋形,利用NSGA-II遗传算法对Zernike系数进行优化设计。在保证天线增益和空间分辨率的基础上,赋形后的焦平面阵列天线视场宽达31.7°,探测范围扩大了2倍以上。