智能、柔性结构的设计优化、结构健康监测和自适应控制对相应的结构形变测量系统提出了日益严苛的要求。在现有的形变测量技术中,基于光纤传感的形变测量技术因其具有良好的电磁屏蔽特性、轻质以及集成灵活性而被广泛应用于航空航天、医疗机器人等领域。但是受到形变恢复算法和光纤应变解调方法不够成熟、传感信号信噪比低等因素的制约,此类技术仍存在普适性不高、空间分辨力不高和测量精度不高等问题。本文针对上述问题,提出并搭建一种高普适性、高空间分辨力、高精度的三维形变测量系统。该系统通过基于最小旋转框架的三维恢复算法将应变信息转变为形变信息;通过在基于光频域反射技术的光纤分布式应变解调方法中引入局部相似性,实现毫米级空间分辨力的应变测量;通过基于多腔管的光纤分布式传感器提高信噪比。最后进行了实验验证。本文的主要研究内容如下:(1)三维形变测量原理研究:三维形变测量原理由基于光纤传感的应变测量原理、测量应变到三维参数信息的映射模型和三维恢复算法构成。本文在分析现有基于弗莱纳(Frenet)框架的三维恢复算法缺陷的基础上,引入基于最小旋转框架的三维恢复算法,以克服现有算法拐点失效问题。该算法通过输入的三维曲线参数信息恢复实际三维曲线。针对三维参数计算问题,在光纤分布式传感器典型结构的基础上,建立三维应变信息到三维参数信息的映射模型。针对基于光纤传感的应变测量原理进行了研究,以完成传感光纤各点应变的测量。最后,搭建仿真实验分析并验证算法性能。(2)分布式应变解调方法研究:为了进一步提高形变测量的精度,首先基于光频域反射技术和瑞利光谱特性原理设计应变测量系统结构;然后,针对现有应变解调方法缺陷进行研究,通过引入测量光谱片段和参考光谱片段的高相似性,提出基于局部光谱相似性的应变解调方法,以解决大应变负载下解调方法失准问题。在此基础上,对改进的应变解调方法性能影响因素进行分析,并完成方法参数的设计。(3)光纤分布式传感器结构和校准方案设计:针对多芯光纤分布式传感器中各纤芯的串扰问题和扇出问题,以及由此带来的传感器灵敏度下降的问题,本文设计并制作了一种基于多腔管的光纤分布式传感器。该传感器通过将多根传感光纤固定于多腔管的管腔内以形成类似多芯光纤的传感器结构,因此可以实现三维应变的解耦;同时,由于该传感器中,光信号完全在各条光纤内独自传播,因此该传感器不存在多芯光纤中的串扰和扇出的问题。在此基础上,为了提高形变测量的精度,本文进一步对该传感器的力学模型进行研究,并提出相应的校准方案。(4)三维形变测量系统的搭建和性能测试:搭建基于光纤分布式传感的三维形变测量系统,并针对应变测量、二维形变恢复和三维形变恢复方面进行性能测试。测试结果表明:在0.6m传感器长度,3mm空间分辨力的条件下,基于光纤分布式传感的三维形变测量系统平面恢复误差最大为5.47mm,三维恢复误差最大为5.89mm,误差小于1%传感器长度,并且其恢复的曲线与实际曲线趋势保持一致。