振幅、位相以及位相中蕴涵的频率是光学条纹信号的主要特征，其特征大小及变化规律被广泛应用于许多科学研究和工程应用领域的位移、形变和密度的精密测量，以及雷达、生物、医学等信号的检测与诊断。本文先从小波脊提取光学条纹信号的瞬时频率和位相的基本原理开始阐述，提出基于瞬时频率梯度的多尺度窗口傅里叶变换方法，并通过理论分析、计算机模拟和实验研究了该方法在三维测量、非平稳信号的时频分析及其它相关位相测量方面的应用。首先，通过理论分析和计算机模拟分析研究了小波脊检测条纹信号的瞬时频率和位相的有效性，同时通过对实际干涉条纹图的分析说明检测条纹图的频率和位相的变化可以检测条纹的空洞、不连续区域等。其次，在阐述多尺度窗口傅里叶变换原理的基础上，理论分析了多尺度窗口傅里叶变换的时频窗的变化规律及其与小波变换的多分辨分析的异同之处，研究了基于瞬时频率的多尺度窗口傅里叶变换在三维物体测量中的应用。为了尽可能提高频率分辨率和提高基频提取的精确度，本文根据条纹分析的特点明确提出了信号局部平稳长度的概念，研究了基于瞬时频率梯度的多尺度窗口傅里叶变换在三维测量中的应用，提高了位相的提取精度，并具有一定的抑噪能力。再次，研究了基于瞬时频率梯度的多尺度窗口傅里叶变换分析非平稳信号的时频局域化能力，并与Winger-Ville分布和小波变换方法相比较，给出模拟和实验分析的结果。最后，把基于瞬时频率的多尺度窗口傅里叶变换方法应用于非平稳的白光干涉谱信号的分析，解调出白光干涉谱信号的位相，以实现薄膜厚度等相关物理量的测量。