“天琴计划”利用长基线空间激光干涉测量由引力波引起的两自由落体状态检验质量微小间距变化,其中关键技术之一是高精度惯性传感器。目前常用的高精度惯性传感器主要基于电容位移测量,通过测量检验质量与电容极板之间耦合电容的变化来测量检验质量的姿态运动。其优点是集成度高、稳定性好、技术成熟;主要缺点在于检验质量自由活动空间小,不适用于无拖曳测量模式。电容式测量还存在较大的反馈静电力扰动,限制了检验质量的残余加速度水平。近年来,光学式传感成为惯性传感器的热门研究方向。2015年成功发射的LISA Pathfinder探测试验卫星首次利用激光干涉测量实现了5×10-15 m/s2加速度噪声水平的无拖曳测量。本论文围绕天琴计划所需的惯性传感器中检验质量多自由度的光学传感展开讨论,分析并比较了多种光学式位移和角度的测量方法,最终选择利用激光外差干涉的方式对检验质量多自由度光学传感系统进行设计。结合高精度相位测量达到了皮米级位移分辨率和纳弧度级角度分辨率,可用于天琴计划惯性传感器中检验质量的多自由度姿态传感。基于多路激光干涉测量原理,本论文研究了一套二自由度高精度测量系统,可用于空间惯性传感以及其他需要超精密平动/转动测量的应用,例如基于精密扭秤的引力实验,皮米级多自由度测量、定位控制等等。二自由度干涉仪在1 Hz处位移、角度灵敏度分别为2 pm/Hz^1/2和0.4 nrad/Hz^1/2,在2 m Hz处分别达到100 pm/Hz^1/2和10 nrad/Hz^1/2。位移测量非线性误差低于0.1 nm。角度测量范围超过4 mrad,非线性低于0.25%,首次实现了mrad以上范围亚纳弧度灵敏度的角度测量。此外,本论文分析了检验质量多自由度运动耦合的理论模型,并搭建了五自由度干涉系统进行测试。五自由度光学传感系统实现了除z轴平动外五个自由度的高精度测量。位移和角度灵敏度在1 Hz处分别达到了10 pm/Hz^1/2和5 nrad/Hz^1/2。位移和角度测量非线性分别低于0.06%和10%,角度测量范围约为±200mrad。