滚转角通常是指物体绕与其运动方向一致的轴线转动的角度,在航空、航天、国防等领域,常与偏摆角、俯仰角共称为三维姿态角。滚转角测量技术研究,可为航空航天领域中大型设备的检测、维修与装调等提供技术支撑,为设备装调、在线运行监测等提供数据保障。研究高精度滚转角测量技术有重要的应用价值。本文以实现小型化、高精度、可兼顾多姿态检测的滚转角测量系统为目标,设计了以阵列透镜为基础的滚转角测量系统。首先,通过对滚转角测量技术的现状进行归纳和总结,结合透镜阵列可进行多光斑联合解算这一特性,针对小型化、高精度的需求提出了基于透镜阵列的滚转角测量方案。将透镜阵列排布呈金字塔形,引入倾斜角度α,建立光斑位置信息、倾斜角度α和滚转角之间数学解析关系,实现可兼顾多姿态检测的滚转角度测量。其次,开展滚转角测量系统的设计,以半导体激光器作为发射单元的核心,采用准直扩束方式提升准直性,为测量系统提供稳定光源;构建透镜阵列的结构参数以及倾斜角α,引入已知标准量。分析了测量过程中对测量结果产生影响的各种因素,针对系统误差提出补偿措施,进一步保证测量精度。并分析了测量系统在三维姿态角同时测量情况下滚转角度的测量稳定性。最后,搭建基于阵列透镜的滚转角测量系统验证平台。采用高精度自准直仪作为标准值,通过对比实验进行验证,结果表明本文所提方法能够实现滚转角的高精度测量,测量精度可达0.1″;且俯仰/偏摆角度的改变对滚转角测量精度的影响均小于0.05″。