临近空间是指高度为20~100km的空间区域。这一区域既不属于航空范畴，也不属于航天范畴，有着其自身的特殊性。各个国家都加紧了对临近空间的研究。目前国内外还没有完善的临近空间目标光学探测理论和完全适用的光学探测设备。本文首先进行了大气辐射传输仿真和临近空间目标光学特性分析，然后进行了临近空间低速目标光学探测系统理论分析，最后开展了临近空间高空气球光学观测试验。文中的主要工作涵盖了以下几个方面：（1）从大气辐射传输模型入手，对临近空间天空背景进行光学仿真。利用MODTRAN软件模拟天空背景，计算大气透过率和天空背景亮度，得到其变化规律，为临近空间低速目标光学探测系统理论分析提供依据。（2）对临近空间低速目标进行可见光亮度特性分析与仿真。主要研究多种工况下（不同方位角、不同探测距离）临近空间低速飞行器的亮度特性。（3）对临近空间低速目标进行红外辐射特性分析与仿真。考虑太阳直接辐射、太阳辐射经地面反射、地球红外辐射、大气红外辐射等，计算临近空间目标的温度，进而计算目标的红外辐射特性。（4）对临近空间低速目标光学探测系统进行理论分析。对于可见近红外波段，针对某一探测器进行探测系统能力分析；对于中远红外波段，估算了其探测距离以及光学系统参数。为后续的高空气象气球光学探测试验提供理论依据。（5）高空气象气球可见近红外光学探测试验。介绍了试验装置、图像处理技术、试验结果及结果分析，验证了临近空间低速目标可见近红外光学探测系统理论分析的正确性，为后续深入研究打下了坚实基础。