空间运动目标的三维姿态是反映其空间运动状态的重要参数,在实际应用中对各种飞行器设计、试验鉴定和故障分析等具有重要的实用价值和现实意义。因此对空间运动目标三维姿态的测量十分重要。由于光学测量是非接触全场测量,具有简单方便、稳定可靠和成本低廉等优点,因而研究光测图像处理技术以及在此基础上实现空间运动目标的三维姿态测量成为重要的研究课题。本文首先分析了课题的全局需要,为了更好地实现后续空间运动目标的光学测量,在对常用图像预处理方法进行对比研究的基础上,选择并实现了基于总变分去噪的图像平滑去噪、基于对称差分法的图像动态窗口处理、基于Canny算子的图像边缘提取以及基于Z-S算法的图像边缘细化等一系列适用于课题实际需要的图像预处理方法。论文随后在分析了图像分割方法之后深入研究了基于偏微分方程和水平集方法的曲线演化理论,在此基础上研究并实现了一种基于水平集方法的改进测地线活动轮廓模型(GAC)。改进GAC算法的实现过程是:首先在曲线演化的快速水平集方法的基础上得到几何封闭曲线的一个嵌入函数并构造相应的能量泛函,然后在窄带内用变分法求出泛函的梯度下降流,从而得到关于嵌入函数的演化方程,迭代这个方程就能使零水平集曲线轮廓逼近到目标边缘实现图像分割。实验结果表明,本算法较好地实现了低对比度静态图像中目标的分割;在包含空间运动目标的动态窗口内也能实现动态图像分割,从而满足了课题的要求,为后续空间运动目标三维姿态测量提供技术基础。论文最后深入分析了当前单站法实现空间运动目标三维姿态测量的常用方法,并结合课题实际,提出了一种基于Hough变换测量空间运动目标俯仰角的改进测量方法,该方法有效地提高了俯仰角测量的精度、速度和抗干扰能力;论文同时探索了一种基于惯量椭圆法测量空间运动目标偏航角的测量方法,该方法把改进的GAC目标分割结果应用到目标的惯量椭圆计算之中,提高了偏航角测量的精度和鲁棒性。实验结果表明:俯仰角的测量方法稳定可靠且兼具测量精度高和运算量较小的优点,能很好地满足课题需要;偏航角的测量方法原理上可行,能基本满足课题对目标偏航角的测量要求。