视频卫星能够实时地监测动态目标,具有快速敏捷的机动性能,可根据观测区域的实际变化情况做出迅速的调整和改变,因此在军事和民用等领域有着广阔的应用前景。其中利用平台的高敏捷性以实现“凝视”观测的低轨道微小视频卫星,正吸引着越来越多的关注。为适用于低成本微小卫星平台,亟需设计与研制体积小、重量轻、易实现、能对面视场画幅式成像的长焦距光学系统。首先,本文在调研国内外研究现状及需求的基础上,阐述视频遥感相机的工作原理,根据其应用要求,分析并确定有效焦距、视场角和相对孔径等光学系统指标,选择初始结构型式。然后,重点研究两镜折反系统和同轴三反系统两种方案。基于高斯光学,给出合理的两镜系统初始结构参数,优化得到满足各项指标的两镜折反系统。通过导出全视场同轴三反系统消除二次遮拦的条件和其光学总长与三镜中继成像倍率的关系,给出三镜中继成像倍率的合理选择范围。结合初级像差理论,给出确定其初始结构参数的方法。优化设计得到满足性能指标与成像质量要求的同轴三反系统,该系统具有非球面度小、易于装调、无需体积庞大的外遮光罩等优点。对比两种设计的光学总长、遮拦系数、畸变量和非球面个数,结果表明同轴三反系统的综合性能优于两镜折反系统。最后,通过分析与优化设计得到的同轴三反系统公差、消热差性能、杂散光和三块非球面反射镜的检测光路,为下一步研制工作的开展奠定基础。