航天技术的快速发展使得空间环境日益复杂,为了有效侦察与监视未知或敌国空间目标,尤其是近程面目标,各类空间相机已先后被投入开发研制,然而相机产品出厂测试与鉴定需要大量测试图像支持,由于实测图像样本数量有限且实验条件苛刻,基于计算机设备进行空间目标场景特性仿真可以有效解决输入图像数据不足的问题。本课题基于光线追踪的计算机图形渲染方法,就近距离空间面目标的可见光波段成像仿真技术展开研究,主要研究工作包含以下几个方面:在空间目标特性研究方面,提出了以目标本体坐标系为参考坐标系的空间目标相对位姿描述方法。分析了目标模型的数据结构和几何特性,对面元数量庞大的复杂模型提出了面元相似合并方法,使得面元数量降低50%以上,大大降低了运算量。在目标表面材质特性表征方面,基于实测数据构建了BRDF参数模型,解决了目标特性仿真时物性参数难于确定的问题。在空间相机仿真模型构建方面,提出了利用关于出射光方向与入射方向的函数来表示实际光学系统的办法,将光学系统对成像效果的影响耦合到光线追踪过程中,通过光学系统参数与探测系统参数的设定实现了成像效果的模拟。同时,根据能量传输与光电转换原理,推导了路径追踪方式下像素灰度值的计算公式,解决复杂光照环境下链路成像特性难于表征的问题。在光线追踪成像仿真算法设计方面,采用了八叉BVH结构的仿真场景管理方法,设计了合理的面元划分方案,避免了异形三角形面元的错误划分。提出了利用数组进行BVH存储与转移的方法,提升了内存访问效率。对于相机数据,提出了初始光线预处理方法,简化了光线生成步骤。在光线遍历中,提出了一种简洁的无栈遍历方法,利用莫顿编码方式优化了子节点遍历顺序的选择,解决了GPU栈空间不足与出入栈操作繁琐的问题。为验证本文理论研究与算法设计的正确性与有效性,设计开发了成像仿真软件,仿真获得了不同想定条件下的目标图像,仿真结果表明,不同相对位姿与不同相机参数下的成像效果与理论分析一致。应用BRDF拟合函数的仿真图像灰度值与真实测量数据计算的结果偏差仅为5%左右,应用了子节点遍历顺序优化的八叉BVH结构对复杂模型的遍历效率为一般二叉BVH的2倍左右,无栈遍历方法的遍历效率为普通有栈遍历方法的1.2倍左右。研究结果可为空间监视系统的指标论证、算法评估、性能测试以及能力提升等提供重要的技术支持。