本发明公开了一种超分辨成像系统的设计方法，首先对超分辨成像系统中的探测器进行选型，确定像元尺寸p，并得到光学镜头的焦距f；根据需求确定超分辨成像系统的分辨率提高倍数性能因子η，并得到超分辨成像系统中光学镜头的F#数；计算获得超分辨成像系统的成像信噪比SNR，并校验F#数是否满足成像信噪比指标的要求；若满足指标要求，则得到超分辨成像系统中光学镜头的口径D，进而得到光学镜头的设计参数；然后利用该超分辨成像系统对待测目标进行多次观测，并构成待测目标的图像序列yk；再将图像序列yk代入到超分辨重建方程中，根据相对熵最小求解所述超分辨重建方程，得到超分辨成像结果。该方法能使系统充分发挥超分辨成像的优势，实现系统级的优化设计。