为满足大尺寸测量仪器性能与制造水平提升的需求，基于非正交轴系架构理念对激光经纬仪进行设计。针对非正交轴系经纬仪在无参考末端情况下计算反向运动旋转角度的难题，提出反向运动线性模型，以实现旋转角度的快速、高精度计算。首先，基于李群李代数基本理论构建非正交轴系经纬仪正向运动学模型。其次，构建空间目标点与视准轴位姿参数间的约束关系，并结合旋转角度误差传递模型，确立用于求解旋转角度误差修正值的线性方程组。最终通过旋转角度初始估计值与误差修正值线性相加，获取高精度的反向旋转角度值。仿真结果表明，该方法所计算的旋转角度误差趋近于0，真实实验的旋转角度误差均小于0.02 mrad，验证了所提反向运动学线性模型的可行性与实用性。

在页岩气的开采过程中，需要对压裂作业中产生的微震波进行检测。在传统的基于后向瑞利散射的分布式光纤传感技术的基础上，提出了一种应用于微震波检测的线性扫频脉冲调制方法。将调制系统中的矩形脉冲改为线性扫频脉冲，通过压缩脉冲匹配滤波的方式实现长距离、高空间分辨率传感。经过仿真与实验验证，选用线宽约为10 kHz的窄线宽激光器为光源，经电光调制与声光调制，可实现扫频范围为5.6~5.8 GHz、扫频时间为2 μs、传感距离为10 km的线性扫频信号调制，接收到的后向瑞利散射信号强度范围为-60~-50 dBm。

在页岩气开采过程中，基于相位敏感光时域反射计（Φ-OTDR）的分布式光纤声波传感（DAS）系统是对水力压裂作业中产生的微震波进行监测的常用方案。为了提高Φ-OTDR系统测量振动信号的信噪比，提出了一种基于变分模态分解（VMD）和互信息（MI）的振动信号去噪方法，对数字正交（I/Q）解调得到的相位信号进行进一步处理，VMD层数K通过去趋势波动分析（DFA）计算的标度指数确定，相位信号的失真和噪声通过剔除MI法确定的非相关模态进行抑制。并搭建了相干探测Φ-OTDR系统验证VMD-MI方法的去噪效果，分别对500 Hz单频振动信号和500、1000、1500 Hz多频振动信号使用VMD、小波降噪（Wavelet）、经验模态分解（EMD）、自适应噪声完备集合经验模态分解（CEEMDAN）进行处理。实验结果表明，所提方法对振动信号信噪比提升最为明显，在Φ-OTDR系统中具有良好的实用性。

为了解决应用于关节型三维激光传感器的小型谐波转台角度定位精度标定的问题, 提出了一种基于Renishaw双频激光干涉仪的单自由度小型谐波转台旋转角度测量和补偿方法。首先依据干涉仪角度测量原理和光路调节方法, 建立了测量光路系统, 分析了回转台装配误差对角度测量精度的影响并进行了有效调整, 而后提出了小型谐波转台360°范围角度标定的实验方案, 最后通过曲线拟合的方法分析了转台转角误差的测量数据, 总结转台转角误差随位置改变的变化规律, 并将误差补偿函数嵌入控制器中, 对转台的每次运动进行实时有效补偿。实验结果表明: 使用该标定补偿方法能够将小型谐波转台的定位精度提高85%以上, 补偿后的定位误差小于10″。采用该方法能够对小型谐波转台进行小间隔360°标定, 标定后转台满足激光传感器空间精确定位的要求。

关节型激光传感器是新型的跨尺度空间、非接触三维坐标测量仪器。为使关节型激光传感器实现精密测量,需要精确标定其系统参数,尤其是标定激光束的空间位姿。提出一种基于平面靶标和球靶标相结合的激光束空间位姿标定方法。通过建立像素坐标系和世界坐标系的矩阵关系,得到激光点的三维坐标,进而通过直线拟合得到激光束的空间位姿。转台旋转轴的空间位姿通过最小区域圆拟合得到。实验结果表明,在1 m的测量范围内,传感器系统的最大距离测量误差约为0.05 mm,新标定方法准确有效。