对于工作在地球静止轨道的天基红外弹道导弹防御系统来讲，红外小目标检测技术是提高系统作用距离、增强系统防御能力的关键技术之一。该项技术在算法研究领域主要包括云杂波成像背景抑制与运动目标的轨迹提取两项研究内容，即为本文的研究重点。在云杂波成像背景抑制的研究方面，首先建立了云层、目标与净空区域的时序差分统计模型；其次利用对数似然比假设检验理论推导出最佳检测算子；再次对该算子进行工程化的简化与近似，得到相邻帧时序差分标准化最大值投影滤波器模型。最后进行仿真实验，通过与最大中值背景估计滤波等典型算法的比较，证实了本文算法能够对云杂波进行有效抑制。如果目标运动机动性不强，此时小目标检测可以看作是直线条痕检测的问题。本文参考美国在空间中段实验卫星上应用的“筛选-确认”解决方案，并提出了自己的两点改进算法：一是在原一维二元速度滤波运动方向约束条件的基础上增加了运动速度约束条件，以降低“筛选”的虚警概率；二是在原能量累积判决采用“最高平均能量”判据的基础上增加了“最小能量波动”判据，以提高“确认”的检测概率。利用Modis云层背景图像数据库仿真生成包含多运动目标的时间图像序列，并以此作为输入信号源分析比较了原算法与改进算法的性能差异。仿真实验结果表明：改进算法在二元速度滤波后候选目标条痕数目减少到原算法的一半以下，极大地降低了“确认”阶段的计算量与存储空间，从最终检测结果来看，改进算法能够显著区分开目标轨迹与虚警条痕，可以实现对运动目标的实时检测。本文在最后给出了基于VC++6.0软件开发环境设计的小目标检测与跟踪系统软件，当输入图像源目标灰度特性与目标运动特性满足一定条件时，能够对小目标实现快速捕获与闭环跟踪，验证了本文新提出的检测算法方案的有效性。