随着社会的不断发展和进步，人们对能源的需求越来越大，传统的陆上资源已经不能满足社会发展所带来的巨大需求，所以，对海洋资源的开发变的非常重要。然而我国在海洋工程相关领域的技术跟发达国家还有较大的差距，特别是在水下管道铺设及管道回接技术方面。因此课题依据中国海洋石油工程股份有限公司所承担的课题——“数显式法兰测量仪项目”，目的是研制出实验样机，用于为立式海管回接预制膨胀弯提供所需要的计算参数，即测量水下立式海管两个法兰端面中心的相对位置和管线的相对角度。本文对国内外水下测量技术领域的现状进行了分析和研究，分别介绍了当前主要的测量技术方法水声测量和GPS测量定位以及对当前的拉绳测量系统进行了重点的分析。同时综合课题技术指标要求，提出了用于水下立式海管位姿测量的数显式法兰测量仪系统的总体方案，具体分为机械结构设计、控制系统设计和管道位姿算法以及上位机监控软件的设计。论文对测量仪的机械结构进行了设计，采用十字托结构进行水平角度测量，通过拉杆进行俯仰角度的测量。同时设计了用于立管夹持的底座机构，为了便于实验研究以及增大测量仪的使用范围，设计了一种用于水平管道的底座。考虑到设备用于水下环境，设计了基于磁耦合原理的角度编码器，使动密封转化为静密封，提高了设备的可靠性。本文重点对立式海管的位姿测量算法进行了详细研究，通过运用机器人学相关理论和空间向量的运算，求解了水下两个立式海管之间的相对位姿，也对水平管道算法进行了运算，同时应用悬索理论对测量绳的曲线形状和绳长进行了分析和研究。应用LabVIEW编写上位机监控软件，进而实现了相关参数的采集、数据处理与保存和界面显示等功能。最后，设计了法兰测量仪样机的实验，主要分为压力实验和陆上综合测量两部分。结合压力实验，验证了样机关键部件结构强度和密封性能。针对水平管道的不同姿态，通过陆上测量实验和现场测量比对，验证了管道位姿算法的准确性，实验样机工作性能稳定、可靠，且精度、耐压等指标满足设计要求。