在机载光电转台、多自由度摇摆台等系统中，对于一些运动体与基座间没有确定的回转轴的柔性支撑、并联支撑平台，需要考虑非接触三轴角度测量方法，目前大部分的光电非接触三轴角度测量方案系统复杂，占用空间大，无法适用于如机载、星载等载荷对体积、质量敏感的场景。为此，文中提出了基于双位置敏感探测器（PSD）的非接触三轴角度测量方案，使用准直镜头汇聚、双面反射光楔反射，将光源在两片PSD上汇聚成像，利用PSD上的光斑位置坐标反解出三轴角度。描述了其工作原理以及传感器构成，分析了因两片PSD的相对位置偏移产生的误差，提出了对应补偿方法以减少焊装产生的PSD位置偏移对测量精度的影响。主要对采集的PSD模拟信号值的抖动噪声进行FIR滤波处理，分析了滤波器的相频响应特性，并在MCU中测量相位滞后时间以及滤波器的响应带宽，验证了该数字滤波器在系统内拥有较好的实时传输特性。自准直测量单元总质量为230 g，尺寸为50 mm×50 mm×50 mm。实验结果表明，34阶FIR滤波器将角度测量的误差减小至60%，在±2°测量范围内单轴测量时，方位角、俯仰角、横滚角的误差均方根分别为0.003°、0.007°、0.017°，组合测量时分别为0.006°、0.009°、0.021°，文中所提出的三维测角传感器精度较高，满足机载等场景的使用要求。

三维姿态角的精确测量在航空、航天、**等领域应用广泛，为方便准确地实现三维姿态角的测量，本文设计了一种基于透镜阵列的测量系统，并建立了微小三维姿态角测量分析模型。系统中，准直平行光束通过4个排列成金字塔形的阵列透镜，在CCD上形成规则分布的阵列光斑。通过分析CCD成像光斑间的距离、透镜阵列上相邻孔径之间的距离以及透镜阵列与CCD之间的倾斜角，可以得到光束相对于接收系统俯仰角和偏摆角，利用阵列光斑连线相对水平或垂直面的夹角，可同时得到绕Z轴的滚转角。通过与高精度自准直仪测量结果进行比较，证明所提方法的测量精度可以达到RMS≤0.1″，表明该方法能够实现三维姿态角的测量。

为了满足同步辐射衍射极限环、X射线自由电子激光装置等新一代光源光束线中对高稳定机械运动机构在大角度范围内的纳弧度角度分辨需求，研制了一种X射线单色器晶体布拉格角调节装置。此装置将优化改良的偏置式曲柄滑块机构与柔性铰链结合。本文分析了平移-角度正弦的运动学关系，建立了运动机构的优化模型，并利用高精度非接触激光干涉测量方法进行了精确的角位移监测。结果表明：该装置传动性能、角度分辨率和角度稳定性基本符合模型的分析结果，且在线性传动关系范围内，角度分辨率优于31.2 nrad；在800 s时间内角度稳定性优于16 nrad。该机构的设计对晶体单色器的使用具有极大的便利性，并为实现十纳弧度量级角度稳定性关键技术攻关奠定了基础。

利用干涉级次小数部分计算得到成像物镜相对焦距值，结合微小角度引起的相对位移值，实现微小角度测量的自校准。仿真计算了小数重合法的算法误差及温湿度误差，并实现了F-P间隔计算结果的修正，设计了可自校准的微小角度测量实验装置，通过测量实验得到了间隔修正前后成像物镜焦距值及微小角度测量结果。实验结果表明：在当前实验条件下，经修正后的焦距测量相对扩展不确定度从0.014减小到0.007，600″测量范围内的角度测量不确定度从0.132″减小到0.084″，微小角度测量的准确度得到有效提升。

研究了一种基于法布里-珀罗标准具多光束干涉成像的微小角度测量方法。通过计算同心干涉圆环圆心位置变化量（圆心位移量）和成像物镜焦距，实现反射镜微小偏转角度的测量。采用相对测量原理，构建了基于圆心位移量不确定度分量和成像物镜焦距不确定度分量的微小角度测量不确定度评定模型。选取2 mm间隔的F-P标准具进行微小角度的测量实验研究，并进行了数据处理。实验结果表明，在600″微小角度测量范围内，测量不确定度不大于0.132″；在40″微小角度测量范围内，测量不确定度不大于0.045″。该方法可为具有自校准特性的、更高准确度的微小角度测量的实现提供参考。

为了实现振镜旋转角度的高精度测量，设计了一种利用反射式圆形衍射光栅的角度测量系统，对该系统的测量原理、测量过程、测量精度等进行了相应的设计、仿真与验证。设计与振镜同轴的反射镜，搭配反射式圆光栅以及光敏检测器件，利用反射式圆光栅产生的±1级衍射光干涉，把振镜转角位移量转化为干涉条纹光强的变化，以实现振镜转角的测量。实验结果表明：该测量系统能实现振镜±10°的角度测量，测量精度为10″。实现了振镜旋转角度的高精度测量，并且该装置结构紧凑，满足扫描振镜的小巧化设计需求。