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针对红外图像序列中运动小目标，提出一种基于预测的小面拟合目标检测算法。首先根据图像序列中目标运动的连续性及方向性，采用二阶自回归模型预测目标的搜索窗口。然后根据天空背景红外图像中小目标灰度高于背景的特征，利用小面拟舍模型对搜索窗口的局部区域作灰度曲面拟合，提取搜索窗口内灰度极值点作为目标，提出了相应的目标检测算子。对红外图像序列的实验表明，该算法可有效检测天空背景下红外运动小目标，算法的实时性和抗干扰能力优于传统的目标检测方法。