临近空间位于高空20～100km之间,具有重要的开发应用价值,是天、临、空、地一体化系统的重要组成部分。平流层飞艇是一种新型临近空间飞行器,其飞行高度大气环境稳定,可以长时间飞行,执行高空巡逻、科学考察以及通信中继等任务。搭载于飞艇平台的观测类载荷,在高分辨率实时观测任务中具有独特优势,是航空、航天观测的有力补充。目前,临近空间平台与相关任务载荷系统正处于发展和验证阶段。为探讨临近空间红外光学载荷技术,推进临近空间技术在观测领域的应用,本文依靠临近空间红外观测项目,设计、实现了一种可搭载于平流层飞艇的红外光学载荷系统,提出了一种远距离红外目标检测算法,并在应用中取得了实际成果。首先,本文分析临近空间红外光学探测载荷的工作环境和任务需求,据此提出了短波、长波双波段红外探测器的总体方案,并确定了系统的功能需求和关键指标。然后,根据平台资源与限制,进一步设计了系统的组成框架和基本工作模式。其次,从系统总体框架设计出发,在充分考虑系统硬件需求和软件设计的基础上,提出系统硬件组成方案,设计了系统硬件的工作流程,并完成了包括红外光学系统与探测器方案、载荷电子学方案、载荷结构方案在内的硬件实现。再次,根据系统的总体框架和硬件设计,提出系统软件方案,明确了软件各个组成部分的功能需求,进行了选择开发工具、设计软件架构及工作流程等工作,完成了系统软件开发,实现了载荷遥控遥测、任务图像实时显示、目标自动检测与定位解算等一系列系统功能需求。接着,针对系统上位机软件中的目标检测算法部分,提出一种基于YOLOv3的时空网络和一种基于局部对比度特征的传统方法,通过有机结合两种方法实现了红外图像序列中弱小目标的实时检测。搭建了真实数据集,结合公开数据集,对提出算法进行了对比实验测试,验证了本文算法的优于基线算法。最后,对完整的系统进行功能测试和环境测试,验证了系统能够在预设环境下满足任务需求。然后将系统搭载于平台,参加了飞行实验,取得了许多重要数据,为进一步研究临近空间红外探测载荷提供了参考。