传统光学系统的焦深或者景深,通常由其口径、光阑、焦距等参数决定,较大的焦深或者景深使得系统能够从物方空间获取更多信息,并且减少离焦带来的诸多问题。在空间目标成像中,要求对目标在不同的有限距离下都能清晰成像,因为不同距离处对应着不同的最佳像面位置,这就意味着光学系统要有较大的焦深;另外,由于复杂的空间环境比如振动、温度影响,光学系统的结构参数及像面位置也会产生变化,通常为了保证清晰成像,在光学系统中需要增加调焦机构,这就使成像系统更加复杂,同时可靠性下降。因此,无调焦机构的大焦深成像系统在航天等诸多领域有着广泛需求。一直以来,扩展焦深技术都是人们所追求的目标。波前编码技术是一种新颖的、结合了光学与图像处理的焦深扩展技术。波前编码在传统光学系统的基础上,在光瞳处插入一片经过特别设计的相位板,对光瞳处的波前相位进行调制,使系统的光学传递函数及点扩散函数在一定离焦范围内变化很小,从而达到了扩展焦深的目的。波前编码技术能将系统的焦深扩展到一个量级以上,并且不减少通光量和降低分辨率,因而具有极高的研究意义和应用价值。本课题结合波前编码技术,研究并设计了对不同有限物距目标实现大景深清晰成像,且无调焦机构的空间目标成像光学系统。同时,提出了一种以一阶二阶微分为主要表现形式的梯度先验,并基于该先验合理的设计优化目标函数,最终实现良好的图像复原效果。满足了在空间目标成像光学系统中,对物距变化目标的大景深成像需求,并且能抑制温度变化、振动等导致光学系统的离焦,并从原理和仿真实验进行了验证。本文在对国内外的波前编码技术研究发展现状进行分析的基础上,从基本理论、设计、仿真和图像复原进行了研究,并详实的介绍了一种基于波前编码的无调焦机构大景深空间目标成像光学系统。本文具体研究工作如下:第一、对波前编码技术的基本理论从编码和解码两个部分进行了分析。对立方相位板的数学形式进行推导,验证了波前编码系统的离焦稳定性,提出了复原中间图像的方法和评价指标。第二、研究并设计了一套利用波前编码扩大景深的无调焦机构空间目标成像光学系统。首先设计了一套焦距为20mm,入瞳直径为7mm的初始空间目标成像光学系统。其次,综合考虑系统对景深的扩展能力和图像的复原质量,优化了立方相位板的面型参数。最后,将优化后的立方相位板用于初始光学系统中,使焦深扩展为原来的28倍,景深扩展至0.5m～130m。第三、针对波前编码的去模糊问题,以及所设计光学系统的单光谱灰度成像特性,提出了以一阶二阶微分为主要表现形式的梯度先验,并合理的设计优化目标函数,利用FOPD算法,实现了对波前编码中间图像的良好复原。