利用综合孔径微波辐射计成像系统进行空中目标探测,具有隐蔽性极好、可全天时工作、基本不受天气和战场烟尘环境影响等优点,并且无需扫描即可瞬时高分辨成像,因而成为目标探测领域的研究热点。为从本质上透彻理解这种新型探测手段的相关理论和方法,评估其探测能力并指导系统设计,本文从微波热辐射信号、综合孔径辐射计可见度测量及反演图像三个层次展开统计特性的研究,进而应用到目标检测算法的检测性能分析。主要内容包括:分析了微波热辐射信号的统计特征,从辐射功率的角度建立了集目标、天空和地表于一体的场景微波辐射亮温分布模型,并针对低仰角条件下大气折射、衰减和地球曲率的影响,提出了基于球面大气指数分层的微波传播路径算法,用以对低仰角空中目标及其背景的微波辐射特性进行定量分析。从接收机通道输出信号的统计特性入手,基于复Wishart分布建立了数字综合孔径辐射计可见度测量的统计分布模型。模型充分考虑了通道滤波器形状、采样频率和量化精度等系统参数的影响,给出了可见度概率密度函数的解析表达式。为解决通道信号样本数据的非正态性和统计相关性引起的模型失真问题,引入有效样本数因子进行修正,并提出了基于幅度二阶矩的有效样本数估计方法。对从可见度测量反演图像这一问题的不适定性程度进行了分析,为综合孔径辐射计反演算法建立了统一的正则化理论框架。运用L曲线准则选择最优正则参数,形成自适应Tikhonov正则化反演方法;构造新的平滑滤波因子抑制过度振荡,形成阻尼奇异值分解反演方法。两种改进方法与传统的FFT反演法相比,都有效地降低了图像噪声,并且失真更小。以可见度测量的统计分布模型为基础,进一步提出了反演图像的统计分布模型。该模型解决了以往缺乏像素值概率密度函数的显示表达的问题,不仅适用于FFT反演,而且适用于包括直接正则化反演在内的任意线性反演算法,并为评估反演算法的信噪比性能提供了研究手段。将综合孔径辐射计反演图像统计分布模型应用于目标检测算法研究,分别探讨了单帧图像检测、序列图像先检测后跟踪、序列图像先跟踪后检测三种方式的检测概率和虚警概率的计算方法。并结合目标与背景的微波辐射特性建立了目标探测距离方程,比较了三种检测方式的探测距离。本文的研究成果可用于综合孔径微波辐射计成像探测系统的性能评估,并可为系统参数设计提供理论参考。