针对实际工程中相距数米至数十米的若干几何元素之间的空间夹角, 提出了大尺寸空间异面直线夹角激光检测系统的设计方案。首先, 根据常见待测直线元素不同的实体存在形式, 设计了相应的实体体现方法, 并建立了异面夹角测量所需的公共基准; 对于待测元素在公垂线方向距离很远的情况, 采用单束线结构激光作为公共基准。然后, 针对一个具体的工程实例, 给出了系统检测框架的设计思路。最后, 提出了公共基准与待测元素空间关系的获取方法。采用数字图像处理技术检测公共基准与各个待测元素构成的夹角并通过三角关系间接获得了待测元素异面夹角的检测结果。在30次系统测量中, 系统重复性精度达到±0.020 85°, 表明所提出的检测系统满足测量要求, 验证了测量原理的可行性。