惯性测量单元(IMU)中的减震器由于外界扰动产生的形变,会导致陀螺输出一个额外的角加速度。为了进一步提高IMU的姿态测量精度,常通过测量减震器的形变量来补偿这个额外的角增量。本文基于某型惯性导航设备研制的实际需要,针对现有精密测角仪在三维测量、结构外形、温度稳定性等方面的不足,提出了一种基于高精度位置敏感器件(PSD)的微型化精密光学自准直三维测角方案,论证并设计了该三维测量系统,实验研究了该方案的可行性。主要研究工作如下:一、针对自准直测量的光学成像过程进行数学建模,仿真研究了成像质量对测量结果的影响。从典型光学自准直测量系统的光学结构出发,建立了一种基于矩阵变换、矢量运算和光线变换理论的自准直测量模型,仿真分析了简化模型的误差、成像光斑的畸变以及测量过程中光斑的运动轨迹。实验研究了现有基于四象限探测器的精密测角仪的光斑非均匀性和温度稳定性,分析并指出了该测量方案中存在的不足。二、设计了自准直三维测量光路,仿真验证了该设计方案的可行性,较全面地分析了系统中引入测量误差的各种因素。针对现有测量方案的不足,甄选了满足要求的光源和探测器,围绕小型化和高精度的实际要求,完成了光学三维测角方案的系统设计;应用ZEMAX软件对系统测量光路进行了仿真分析,验证了测量方案的可行性;应用理论推导和仿真分析的手段,研究了自准直测量中可能出现的多种影响测量精度的因素,并分别提出了修正方法。三、搭建了方案中的测量光路,实验研究了所设计系统的测量特性。参照设计方案,在光学平台上搭建了基于PSD的光学自准直三维测角系统的实验光路,实验验证了所选择的光源和光电探测器的主要特性,并测试了该系统的测量稳定性、重复性和分辨力。实验结果表明,该系统的稳定性误差在3″以内,三维测量精度优于3″。