角度是基本的几何量之一,现有的角度测量方法有很多,并且广泛的应用于工业生产、科研、国防等领域。空间物体相对于大地坐标系的三维姿态测量、物体不同结构或系统之间的三维相对转角的测量都是角度测量的重要组成部分。在同一物体不同结构或系统之间的三维相对转角的测量中,相对俯仰角和偏摆角的测量技术已较成熟,如可利用光学自准直法进行测量;对于相对滚转角,因其滚转矢量所在平面的法线与两系统连线方向重合,所以滚转角的测量相对复杂。本文介绍了一些关于角度测量的基本方法,分析总结了光学非接触滚转角测量的常用方法。重点围绕泰伯莫尔效应的滚转角测量方法展开本文的研究工作,即透射光栅在单色平面波的照射下会在其泰伯距离处产生泰伯像,置于该泰伯像处的反射光栅与该泰伯像产生莫尔条纹,当反射光栅与透射光栅有相对角度变化时,产生的莫尔条纹宽度与夹角也将随之改变。本文在分析论述基于泰伯莫尔效应的滚转角测量方法的基础上,对泰伯效应进行了计算仿真分析,按照设计要求确定了泰伯效应结合光电自准直仪的三维转角检测系统的方案;重点介绍了该系统的光路设计,基于该设计进行了滚转角检测系统的光路的搭建与调试;通过实验获得莫尔条纹图像;对所得莫尔条纹进行图像处理得到其倾角和宽度变化量,进而计算出滚转角的变化量。图像处理过程中依次使用图像预处理、Otus阈值分割、细化、直线拟合等多种处理方法。根据仿真模拟分析了三维角度的耦合情况对测量的影响。计算仿真结果和实验结果表明,论文提出的基于泰伯莫尔效应进行物体滚转角测量的方案是可行的,且能达到较高的测量精度和分辨力;结合光电自准直仪可有效地实现物体空间姿态的测量。