空间姿态的定位是常见的工程问题，其中窄长空间内姿态的精确测量定位更是研究难点。例如在地铁建设、铁路隧道挖掘等工程实际中应用的盾构导向技术，其光学偏角的精确测量定位保证了导向的精确性，特别是船舶轴系校中工艺中的轴承孔系的定位需要确定对轴系基准直线的空间位姿。本文旨在建立一套空间姿态中光学偏角的测量系统，同时提出一种图像匹配算法来计算光学偏角，以获得更高的测量精度和稳定性。主要的研究工作包括以下几点：(1)提出了基于无衍射光空间直线基准的光学偏角测量方法及测量系统的整体方案，阐述了光学偏角的测量原理和成像光路的设计原理，规划了各组成部件布置的相对位置，选用合适透镜组以增加测量范围。(2)设计了测量系统的测头结构，完成了内部各组成部件的选型以及结构参数的确定，然后用ZEMAX对测量光路结构进行模拟仿真，验证光路可靠性以及保证最佳成像效果。并通过雾化实验选取满足光学要求的成像膜片。(3)结合无衍射光束的截面图像特点，提出基于贝塞尔图像特征模板的图像匹配的方法来求取贝塞尔图像中心，设计像素级、亚像素级两次匹配过程使得求取的中心坐标精度达到亚像素级，选择合适的相关性度量公式使匹配算法快速、稳定、有效，选取二次线性插值方法构造新像素图像以满足亚像素级匹配的精度要求。最后，进行了实验，实现了图像采集和匹配算法的处理过程，求得光学偏角的测量精度为0.1mrad，基本满足了要求。