精密位移测量技术在航空航天军用领域、超精密机械等工业技术领域都有着重要的应用。基于衍射光栅的位移测量系统以光栅栅距作为测量基准,具有抗干扰性强、精度高的优点,被广泛应用。经典光栅测量系统主要通过探测正弦波进行位移解调,但由于其存在裂项光路体积大、相位边缘解调误差大及细分分辨力有限等问题,因此本文提出基于衍射光栅的图像式位移测量方法。研究设计了一种图像式位移测量光学系统,并设计了图像解调算法,可实现图像亚像素级定位和纳米级位移的检测。在参考国内外文献基础上,本文对比分析了典型光栅测量系统及解调方法的优缺点。研究了衍射光干涉原理、多普勒效应、光偏振原理及位移信号解调原理,提出了基于衍射光栅的精密位移图像解调方法。研究了非局部均值（NLM）图像去噪原理,根据条纹图像欧式距离曲线特点,设计了反比核NLM去噪算法。以信噪比作为评价标准,利用MATLAB软件,与典型核函数的NLM去噪算法进行对比。实验结果表明:反比核NLM算法去噪后图像信噪比为30.1370d B,优于传统核函数的NLM去噪算法。设计了灰度极值亚像素级定位解调算法,并与典型的图像相关法、光流法进行实验对比分析。结果表明:在[0,2π]范围内,灰度极值法测量精度σ=797.1pixel,结果优于对比算法。进一步地,仿真连续多帧位移条纹图像并应用本文方法进行解调,仿真实验结果表明:位移测量精度σ=093.1pixel,去除粗大误差后的平均误差为0.0624pixel,对应像素物理尺寸误差大小为0.1374μm,为高精度的实际位移测量与解调奠定理论研究基础。设计并搭建了基于衍射光干涉叠加条纹的图像式位移测量光学系统,并采集2-3幅图像,进行了静态定位实验,对本文的算法进行验证。结果显示:利用本文算法可实现图像的亚像素级定位与位移的纳米级定位测量。最后,结合FRED软件对光学系统仿真,分析了实验误差来源及各部分误差对实验结果的影响。本文提出的方法同样适用于自相干莫尔条纹系统、光电轴角编码器等其他位移测量系统的图像式位移信号解调,为光栅式精密位移测量领域信号解调技术的发展提供了研究基础。