近年来,柔性结构与材料的大规模开发与应用对其结构的形变实时监测技术提出了许多新的要求。相比于其他形状感知技术,光纤传感技术具有抗电磁干扰、生物相容性且易于集成等特点,因此被认为是下一代传感技术的重要组成部分。目前,由于已开发的光纤形状传感技术受到光纤应变测量技术与三维重构算法等因素制约,仍存在测量精度不理想、测量离散化与高重构误差等问题。本论文针对上述问题,设计了一种具有高空间分辨率的分布式光纤三维形状感知系统。该系统通过光频域反射技术获取光纤沿线的应变,并将应变数据代入改进的三维形状重构算法,提高了重构精度的同时分析了其中的误差计算问题。最终,通过实验验证了该技术的可行性。本文主要研究工作如下:（1）阐述了光频域反射应变测量技术的基本原理。从理论出发推导了光频域反射技术的定位与应变传感原理,并介绍了光纤传感器中的应变-曲率计算模型,完成初步的数据处理。（2）研究了基于自然参数方程的三维形状重构算法。本论文详细推导了基于Frenet-Serret框架的三维重构算法及其数值求解过程,并分析了其存在的曲线方向改变点的法向量翻转问题及数值解法引入的正交化丢失问题。针对法向量翻转问题,引入了Parallel框架克服了该问题;针对正交化丢失的问题,引入了基于超螺旋的概念的螺旋延展法,维持了框架的正交性。最后,通过仿真验证了提出的算法的综合性能。（3）提出了一种归一化分段加权误差评估方法,可以科学评估重构曲线与参考曲线之间的误差。该方法通过对平均传感段长度进行归一化,可以将不同规格的传感器进行纵向比较。之后,对传感器重构曲线进行灵活分段,并赋予各分段不同的权重,从而可以从局部与整体结合的方式评估传感器重构效果。（4）搭建了三维形状测量系统平台并进行了实验测试。利用商用的光频域反射仪LUNA OBR 4600作为应变测量系统,并利用七芯光纤传感器与提出的光纤形状重构算法,完成了二维与三维形状重构实验。其重构实验结果与实际形状较为一致,验证了提出方案的可行性。