在盾构施工中，为了保证隧道质量，必须实时测量盾构的位姿，控制盾构与设计轴线的偏差。本文针对盾构施工条件复杂、测量环境恶劣的实际情况，设计了一种复杂性低、抗振动能力强的激光标靶，完成高精度的盾构姿态测量。本文分析了倾角仪和CCD相结合的盾构姿态角测量原理，将俯仰角和水平角的测量转化为对CCD上光斑偏移距离的测量；研究采用高分辨率的CCD、提高光斑中心的定位精度有效提高盾构姿态角的测量精度；由于光斑内部存在暗区域，本文采用基于灰度形态学的图像滤波技术，通过选用大小合适的滤波模板，有效降低了上述缺陷对光斑中心定位的影响；采用改进的梯度阈值法光斑中心定位算法，即先使用灰度过阈值法检测光斑的轮廓，再沿该轮廓进行梯度阈值检测，使光斑中心达到像素级定位精度。根据CCD上激光光斑的位置，得到激光与标靶轴线的夹角，结合激光的水平方位和仰角，推导出了标靶法盾构姿态角计算算法，研究了标靶元件参数的标定方法及倾角仪安装误差补偿算法，并对系统的姿态角测量精度进行了分析。论文最后进行了姿态测量系统精度实验，实验结果验证了系统能满足测量精度的要求。