航天飞行器结构在太阳辐射环境下所产生的热变形使得结构的力学性能发生变化,降低了飞行器正常工作性能,严重时会影响飞行器的安全,因此在地面试验阶段开展飞行器关键结构的热试验是十分有必要的。数字图像相关（Digital Image Correlation,DIC）法是一种测量物体表面变形的高精度光学测量方法,与传统应变片单点测量方法相比,DIC可以实现物体表面的全场变形测量,由于其非接触式的测量特性,使得DIC可以实现普通测量方法无法实现的结构热变形测量。本文研究了常温条件下二维、三维测量方法,搭建了单目、双目测量系统,通过试验证明了测试系统的有效性。针对结构热响应测量的两大关键问题即光学玻璃窗口影响与较大尺寸结构测量问题展开研究,分析了光学玻璃窗口对于DIC测量带来的误差影响并引入正则化修正方法;对结构的面内、离面热响应测量提出基于DIC特征识别的二维、三维图像拼接方法,基于自主搭建的高温光学测量系统成功开展实际结构的热响应测量试验。本文工作具体包括以下几个方面:（1）基于频域的整像素搜索与IC-GN亚像素定位方法编写二维DIC测量程序,通过仿真与试验验证了无噪声下DIC计算精度优于0.01pixel,实际面内应变测量精度优于200个微应变,计算速度达到2500pixel/min。基于双目视觉原理编写三维DIC测量程序,通过刚体平移试验证明了三个方向测量精度优于0.05mm。（2）针对光学玻璃窗口对于DIC测量带来的影响问题,首次提出玻璃的表面污染对于DIC测量带来的误差,以随机白噪声模型建立了表面污染面积比概念。通过理论推导、数值仿真分析了的折射率、型面热变形、表面污染三个方面带来的误差,对比分析了Tikhonov、Total variation、和稀疏正则化方法的去噪效果。基于上述研究开展热环境下测量试验并成功得到20～511℃范围内铝合金试件的面内热变形场,通过热膨胀系数计算验证了测量结果的可靠性。（3）针对较大尺寸结构的面内热响应测量问题,开展基于DIC特征识别的二维图像拼接方法研究;对结构离面热响应测量问题,提出一种非共同标定视场下三维图像拼接方法,区别于传统相机阵列测试时对于标定视场的高要求,利用双相机测量单元独立进行三维重构,基于二维DIC对小幅重合区域的散斑的高精度定位匹配,实现三维重构后转换矩阵的优化计算,最终完成空间三维坐标的拼接。通过常温条件下的刚体平移试验验证了二维、三维拼接方法的有效性。设计了石英灯加热模块与相机阵列采集系统,分别对400mm×300mm太阳翼板模型的面内热响应测量和500mm×500mm不锈钢板的离面热响应测量展开试验研究,成功测量出结构的二维、三维热变形场。