利用被观测物体的光学成像估计其三维空间的方向和位置一直为光学测量领域的一个研究热点。基于光学成像的相对位置估计方法在自主导航、机器人视觉和航天器交会对接的领域内有着广泛的应用。本文以小型智能机器人实验以及空间飞行器的自主交会对接为应用背景,在近距离段采用光学成像敏感器实现对合作目标相对位置的精确测量。首先,阐述了空间机器人视觉测量中常用到的一些图像处理的基本概念,研究和分析了目前较常用的图像预处理、边缘检测、图像分割等算法。在图像识别过程中,本文运用了中值滤波技术降低了噪声,提高了图像的质量,并采用了最大类间阈值分割法分割目标,得到了较好的效果,该方法计算简单,自适应性强,在一定条件下不受图像对比度与亮度变化的影响,因而在一些实时图像处理系统中得到了广泛的应用。其次,本文对摄像机标定算法和相关理论进行了研究。由于摄像机镜头存在着畸变,对于要求精度定位的应用,需要进行畸变校正,而传统的标定算法中存在着计算量大的不足,本文采用Tsai氏两步标定法是考虑一阶径向畸变的摄像机标定算法,与其它优化算法相比具有简单实用、计算量小的特点,并通过实验验证了该算法的可靠性和有效性。最后,本文提出了一种基于相似三角形原理的测距方法,根据合作目标与摄像机主光轴垂直与不垂直两种情况,给出了两种测距模型,建立实验系统并进行了实验,通过近距离段与远距离段的测距结果与误差分析验证了此方法的有效性,能够准确的确定合作目标的位置,计算简单,测量精度高,具有重要的理论意义和工程使用价值。