大气和云是天基红外对地目标探测系统的主要背景源,如何对大气和云的辐射场景图像进行真实有效地仿真一直都是国内外研究的重点,它影响着对天基红外目标探测系统仿真实验的可靠性。本文从大气和云的空间分布建模入手,对大气和云的空间分布形态和内部微观结构进行了研究,利用分形理论中的多尺度叠加算法建立了云层的三维空间分布模型并通过控制算法中的参数对不同类型的云和运动的云进行了建模。在此基础上,采用米氏球形散射理论和非球形冰晶粒子散射数据库相结合的方式对大气和云层的光学属性进行了研究计算,并通过球谐离散坐标(SHDOM)辐射传输计算模型计算出了大气和云的辐射场景。在对SHDOM辐射传输计算模型的研究过程中,本文提出了基于阈值分割的k区间参数组合优化算法来选择相关k分布法的k区间节点,在保证计算精度的前提下有效提高了宽波段模式下辐射传输计算的效率。在结合全球地貌覆盖特征和各物质光谱反射率数据库的基础上,为SHDOM辐射传输计算模型提供了地表边界条件生成模块,为大气和云的辐射场景引入了地理位置环境因素。在本文的最后一部分中,将计算出的大气和云的三维辐射场景进行了不同观测角度的二维投影成像,并对场景中的物体进行了像面位置的定位。通过对探测器成像链路的仿真,最终获得了大气和云的辐射仿真图像,完成了大气和云的辐射场景图像仿真系统,为今后的天基红外目标探测系统的仿真实验提供了数据支持。在整个系统的实现过程中,运用到了Fortran、Visual C++、Matlab等多种程序语言的混合编程。该系统已经应用到了实际的仿真实验中,并在使用过程中得到了不断的完善和改进。