高超声速飞行器有着机动性能高、飞行速度快、飞行距离长等优点,可用于全球精确打击武器系统,也可用于探测侦察装备。随着高超声速飞行器的快速发展使得世界各国处在军事强国的监视与威胁下,而且现有侦察卫星对高超声速飞行器的侦察预警能力有限。此外,光学系统自身产生的热辐射对光学系统的探测性能影响很大,降低光学系统的温度能够有效地减少光学系统自身辐射,提高系统探测性能。本文将低温光学系统应用到高超声速目标探测中,有效地降低了光学系统的背景辐射,提高了光学系统信噪比,提升了探测能力。首先,根据光学系统的设计指标确定了系统的工作温度。通过分析低温环境对光学系统的影响来确定光学系统的设计流程。分析对比光学系统各种构型的优缺点,并结合光学系统的设计指标确定了光学系统构型。同时对低温光学系统选材方面需要注意的问题进行了讨论。在透射系统方面,材料折射率的计算与选择至关重要。通过对比各种折射率的计算方法与适用范围,最终确定了低温折射率参数的计算方法。其次,根据像差理论计算得到同轴三反光学系统的初始结构。通过对初始结构离轴处理与优化,最终得到了无中心遮拦的离轴三反光学系统。离轴三反光学系统采用分视场加滤光片的成像模式实现了多波段成像,并对系统进行了相关的像质评价。在同轴折反系统的设计中,采用了解析法与缩放法相结合的方式实现了对多波段光学系统的设计。通过对比离轴三反与同轴折反两个光学系统的优缺点,最终选择了成像质量较高的同轴折反光学系统作为最终设计结果。对同轴折反光学系统进行公差分析,在系统能够接受的范围内给出了公差范围。最后,通过对比分析折射率变化与面型变化对系统产生的影响,得到了折射率变化对光学系统影响更大的结论。分析了常温状态下系统的成像质量,为系统的常温装调提供依据。根据辐射定律计算得到了低温与常温环境下的光学系统背景辐射大小。以300K黑体辐射为目标辐射,253K黑体辐射为地球背景辐射,计算对比了不同温度状态下系统的信杂比、信噪比以及对比度。低温环境对减小背景辐射、提高系统探测能力有很大提高。