小天体的监测和预警对于保护国家安全和人类的生命安全有着至关重要的作用。在观测这些目标时,由于目标小且距离遥远,导致获得的目标能量变得很弱;同时观测系统受到大气、地球背景光、黄道光、恒星等背景的干扰以及被系统存在的各种噪声所影响,这导致获得的图像信噪比很低。针对空间暗弱目标尺寸小、能量弱、容易受到背景噪声和杂波的干扰等一系列检测难点问题,开展了基于时空域增强的暗弱小天体检测技术的研究。对小天体成像系统的信号和噪声进行分析,构建了信噪比模型。进行了暗弱小天体目标信号的建模,以及暗弱信号的统计特性分析。针对低信噪比暗弱小天体检测问题,本文提出了一种基于局部区域相似性的暗弱小天体检测方法,通过对背景光子的特性分析,利用背景信号在时域上有一定相似性的特点,提出了一种新的局部区域相似性因子来提取出运动目标。此方法不直接依赖于图像灰度大小,而是提取运动目标穿过背景时对稳定性产生的扰动来反演运动目标,因此在低信噪比下仍表现出稳定的检测性能。在真实的小行星数据实验中相比于其他方法检测率提高6.12%。虚警率减少1.32%,背景抑制因子提高0.22。在此基础上,利用包括局域相似性特征在内的多个统计特征建立了更全面的统计特征空间,提出了一种基于统计特征空间提取和SVM的暗弱小天体检测方法,利用更高维度的变化特性来检测目标变化,将暗弱小天体检测问题转化为了目标与背景的二分类问题,避开了容易导致虚警提升的阈值分割问题同时具有更好的检测和泛化性能,在真实的小行星数据实验中相比于其他方法正样本分类准确率提高9.60%。负样本分类准确率提高5.31%,背景抑制因子提高0.81。为了进一步提升暗弱目标检测能力,适应更低信噪比的检测场景,提出了一种基于亚像素级配准的暗弱小天体空域增强方法。采用多帧累加的手段,将每帧图像根据同一空间目标的位置为中心进行多帧累加,同时克服了传统的像素级配准累加方法由于目标中心配准精度不够导致的能量扩散问题,能更精确地将每帧中目标中心位置进行亚像素级配准,使得目标能量更集中地累加,能量提升效率更高从而能够跟踪检测出更弱目标。