在新型号飞机试飞实验中,姿态参数测量是十分关键的。这些参量不仅反映飞机的飞行状态,而且对分析飞机的气动参量、试验鉴定以及排除故障隐患等具有实用价值和现实意义。光电测量技术具有非接触、简单方便、精度高等优点,在航空、航天领域中都具有着重要的应用,如无人机自主着舰光电引导系统、舰载直升机助降光电引导系统及航天器空间交会对接过程中的光电导航系统等。但这些系统的测量精度及实时性都有着较高的要求,有时甚至十分苛刻。因此,利用光电测量技术实现飞机三维姿态测量具有重要研究意义。本文利用合作目标的单站姿态测量原理,结合实际大气湍流条件下激光光束的漂移及扩展效应,提出利用补偿和定位后的激光光斑质心确定飞机外部姿态的方法。通过计算单帧激光光斑中心,提取单位时间内激光光斑质心组成的外围轮廓特征点,并将其构成多边形;以多边形图像质心作为参照,建立姿态测量自适应补偿模型。利用得到的自适应补偿模型求解飞机三维姿态信息。论文随后设计了飞机姿态测量装置中的光学系统,根据R-C光学系统,基于三级像差理论,设计了主次镜的基本结构,利用反射系统消除球差及彗差,完成折反系统的设计全视场弥散斑分布均匀。场曲小于0.05mm,全视场畸变小于0.1%。MTF在1161p/mm时接近衍射极限。为了满足实时性的要求,基于透视投影原理,推导求解目标三维姿态的最优化函数。通过统计大量光斑图像实验数据,将大气湍流的影响考虑在目标姿态测量误差中,提高了激光光斑中心的提取精度。采用多边形质心方法计算激光光斑中心,消除某一时刻由外界环境造成的偶然事件,提高了测量过程中每个环节的准确性。计算结果表明,当目标距离为3km时,采用模拟退火算法迭代解算并对结果进行自适应补偿,得到的姿态角误差最大值为0.221°,说明采用自适应补偿技术的姿态测量算法具有较高的姿态测量精度和收敛性。