在工程实践中,一些精密的测量设备或基准设备,往往因系统配置或功能方面的需求分散于不同位置。而连接这些设备的结构,不可能是绝对刚体(如船体、机体、导弹弹体等)。由于各种外界扰动的存在(如风浪、温度、时间老化等),各设备之间必然存在三维的小角度结构变形[1-2],这些变形会给测量或基准设备的精度产生影响。因此,需要对这些小角度变形进行测量修正[3-4]。本文的出发点就是来自结构变形测量两方面的需求:一是分布距离较远;二是三维变形角度同时测量。首先介绍了常规的小角度测量方法,指出了这些方法用于结构变形测量的优点和劣势。综合考虑各方面因素,选择了自准直法作为俯仰和偏摆角的测量方法。针对扭转变形,提出一种基于光束变形的测量方法,对其进行了理论分析,完成数学模型的推导,并使用软件进行仿真,验证了方法的正确性。分析了三维变形测量方法的测量原理及其在实际测量中的实现方法,建立了测量系统相应的理论模型。在光电自准直测量的基础上,利用共光路设计思想将二者结合在一起,研究实现长距离高精度三维变形角测量的可行性。设计了一种特殊四面体反射棱镜与柱透镜组的结合作为合作目标,用于表征结构的角度变形。设计了三维变形测量系统的光学系统、数据处理和实验方案。对光斑位置和形状图像的处理算法进行了研究。利用平方加权质心定位算法进行位置偏移量的求解;对光斑进行滤波去噪、阈值分割、边缘检测和直线提取等处理,以得到形状参数。通过图像处理所得的位置参数计算俯仰和偏摆角,通过形状参数计算扭转角。在现有条件下,选择合适器件和设备搭建了实验室验证平台,并进行了扭转角的测量实验。实验结果表明:在1200’’的测量范围内扭转角的最大测量误差的为14’’,误差均方根值为7.83’’。本文提出一种适用于大型结构角度变形测量的光学方法,该方法可以同时测量三维角度,并有较远的工作距离。从更广泛的角度来看,角度是最基本的物理量之一,而角度测量是计量学的重要组成部分。因此该方法还适用于很多领域,如光学工程、机械制造、军工等。