光电探测系统中,目标姿态测量对目标运动状态分析、故障分析等方面都具有重要的理论意义与工程价值,在航天、交通、工业自动化等领域扮演着举足轻重的作用。而在目标姿态测量中,单目视觉姿态测量具有设备成本低、实时性强、机动灵活等优点,但也存在难以获取成像目标深度信息等缺点,同时由于光电探测目标形态差异很大,因此也增大了单目视觉姿态测量难度。为此,针对不同的目标特性,充分挖掘图像信息,深入研究单目视觉姿态测量方法,以提高姿态测量精度从而满足光电探测系统的要求是非常必要的。　　 本文紧密围绕单目视觉姿态测量展开研究。从图像中的特征点或特征直线出发,利用摄像机成像原理建立起目标模型到图像中的特征直线或特征点的匹配对应关系,并通过多种几何约束下的非线性最优化方法解算出目标位置和姿态。同时对具有类圆柱体或类椭圆等几何特征的实际成像目标姿态测量相关技术展开了研究,取得了重要进展。　　 在目标特征点坐标约束下的位姿测量算法(FPR)基础上,根据弱透视成像近似条件,研究了无需迭代初值解算目标位姿的POSIT算法,使测姿算法更具实用性。同时结合软决策(SoftAssign)策略将图像点和目标点自动匹配对应,从而实现了目标点和图像点对应关系不确定时的位姿测量,拓展了测姿算法的适用性。　　 根据目标各个特征点在弱透视成像下成像距离近似一致的假设,提出了特征点间线段倾角约束下姿态测量算法(ALFPR),在目标函数中增加了以两个特征点间线段倾角所确定的约束条件,无需摄像机内部参数即可解算出目标姿态,满足了姿态测量更为广泛的应用需求。充分考虑各个特征点之间的关联特征,提出基于刚体目标多种几何特征约束的姿态测量算法,建立起非线性最优化约束条件,从而实现了位姿高精度解算。　　 在基于目标直线特征的位姿测量方面,重点研究了同时解算目标直线和图像直线对应关系与目标位姿的方法。通过SoftAssign策略实现了目标直线和图像直线自动匹配对应,在得到对应关系基础上,利用Gauss-Newton法在透视成像模型下解算位姿,改善了旋转矩阵解的正交性,提高了位姿测量精度。　　 针对特殊形状的空间目标实际成像边缘模糊,对比度低,特征信息不足等难点,通过增加Hough变换直线检测判定条件,并利用随机样本一致(RANSAC)去除边缘粗差点等技术措施,改进了基于平行直线的姿态测量算法(PMPB),从而提高了对实际成像目标进行姿态测量的可行性。根据目标成像类椭圆特征,提出了基于惯量椭圆的姿态测量算法(PMBIE),通过提取目标等效惯量椭圆长轴方向,实现了目标俯仰角的测量。将PMBIE应用于扩展目标的姿态测量和补偿,达到满意的效果。　　 结合工程需要,对PMPB算法进行优化,在基于TMS320C6455的图像处理平台上对算法进行了实验验证,达到了实时性要求。　　 本文围绕光电探测系统中单目视觉姿态测量的难点和关键技术,展开了深入的研究。根据空间目标实际成像特性,提出了针对性较强的解决思路和方案,并在工程应用中取得了良好的效果,为提高光电探测系统姿态测量精度提供了有力的技术保证。