红外成像目标识别在空间目标监视、导弹制导等方面有着广泛的应用。由于远距离小尺寸目标在红外图像中表现为点目标，难以获取目标的纹理结构和形状信息，点目标的识别一直以来都是红外目标识别中的难点问题，此时，提取和分析目标的红外辐射强度序列，提供了获取目标姿态和形状信息的重要途径，对于点目标的识别具有重要的作用。基于辐射强度序列的姿态和形状反演已成为当前研究的热点问题，广泛应用于小行星、空间人工目标特性分析等领域。基于平面元凸体辐射强度模型的空间目标辐射强度序列反演是当前广泛采用的技术，但是此技术需要对大量的形状参数和复杂的非线性姿态参数进行优化，具有极高的计算复杂度，难以在天基、弹载等计算资源有限的平台上进行应用，因此，设计高效的红外辐射强度序列反演算法对于推广辐射强度序列反演技术应用范围具有重要的意义。本文围绕这一研究课题，以空间弹头类目标为研究对象开展研究，主要研究内容包括以下方面：
　　对空间目标的红外辐射强度序列进行仿真是研究红外辐射强度序列反演的重要前提和基础，仿真精度起着关键的决定作用。论文对于不规则进动姿态仿真中长时间数字积分导致的误差积累问题，利用椭圆函数的周期性，设计了新的姿态计算方案，实现了姿态计算仅需在二分之一旋转周期内进行数字积分，缩短了积分时间，提高了计算的精度。姿态运动模式与空间目标的质量分布与初始旋转状态密切相关，是目标识别的重要特征，论文通过仿真实验分析了空间目标在作旋转、规则和不规则正负进动时的姿态运动特征和红外辐射强度序列时间变化规律及频谱特性，利用红外辐射强度序列进行姿态运动模式鉴别，结果显示红外辐射强度序列及其频谱有助于区分旋转和进动，但难以对规则和非规则正负进动进行鉴别。
　　形状模型复杂是造成基于平面元凸体辐射模型的姿态和形状反演方案计算困难的一个重要原因，论文结合弹道导弹防御的研究背景，研究了锥体形状约束下的姿态和形状反演问题，通过简化形状模型降低反演的计算复杂度。推导了锥体目标投影函数的数学表达，实现了对锥体形状的紧凑表达，进而构建了锥体目标的红外辐射强度序列模型。针对目标表面的温度变化问题，设计了基于滑动窗口的锥体目标章动角和半锥角估计算法。与基于平面元凸体辐射模型的反演方案相比，所提方案使用的形状模型大大简化，在计算复杂度大大降低的同时，提高了在目标表面温度变化时姿态和形状的反演精度。
　　应对除了锥体之外的锥球体、抛物体弹头类目标有着明确的现实需求，使用锥体模型不足以对上述形状的辐射特性进行描述，严重影响着基于锥体模型的反演方案对于姿态和形状参数的估计精度，如何以较小的形状模型复杂度代价实现对上述形状辐射特性的高精度描述成为需要解决的关键问题。论文设计了一种新的基于锥面投影函数的轴对称目标投影函数表达方式。该表达使用一组具有不同半锥角的截头圆锥面近似轴对称目标的表面，从而将轴对称目标的投影函数表示为一组锥面投影函数的线型组合。该模型使用的参数数量与锥体模型相比并未显著增加，且复杂度远远低于平面元凸体模型。针对反演过程中需要优化的参数空间维度过高的问题，设计了新的优化方案对目标的章动角、角动量方位和形状表示进行估计，通过在估计过程中分离形状和姿态参数，达到了仅在姿态参数空间上进行优化的效果。与原优化方案相比，降低了需要优化的参数的维度，提高了优化效率。仿真实验表明提出的算法能够有效估计目标的章动角。但是由于目标形状的对称性，难以进行有效的目标形状估计。
　　同时对姿态和形状参数进行估计导致未知参数空间维度过高是基于形状模型的反演方案所面临的共同问题，论文提出利用空间目标和探测器之间的相对接近运动对目标的姿态进行单独估计。在反射辐射强度序列瞬时频率模型的基础上，构造了红外辐射强度序列的瞬时频率模型，进而使用傅里叶序列拟合提取红外辐射强度序列的瞬时频率进行模型拟合估计目标的章动角和进动轴方向。与基于形状模型的反演方案相比，此方法避免了复杂的形状建模问题及在形状参数空间上的优化计算，仅在姿态参数空间上进行优化，计算复杂度显著降低。仿真实验验证了所用红外辐射强度序列瞬时频率模型的有效性，以及利用相对运动信息估计空间目标姿态的可行性。