空间引力波探测激光干涉系统由多路干涉仪组成，涉及到多组干涉信号的相位采集和读出，多通道相位测量系统是空间激光干涉的关键核心技术之一。本文从太极计划及其地基激光干涉实验需求入手，设计、搭建并测试了多通道相位测量系统。首先，给出多通道相位测量系统的软硬件设计，包括硬件架构设计、数字锁相环测相算法、软件架构设计等。其次，对多通道相位计进行时域功能测试，包括相位准确度和线性度。测试结果表明多通道相位测量系统在不同工况下的动静态相位线性度和准确度良好。最终，对多通道相位计进行不同通道、不同频率、不同幅值下的频域噪声测试。测试结果还表明本文设计的多通道相位计，在0.1 mHz~1 Hz频段内，相位噪声水平均优于 $ 2{\text{π}}{\text{µ}} {\rm{rad}}/\sqrt{{\rm{Hz}}} $；不同通道之间具有很好的一致性，由通道差异或ADC芯片差异引入的相位噪声在目标频段内可以忽略不计；对于频率在5−25 MHz之间的任意干涉信号，相位计在目标频段内均满足需求。因此，该多通道相位测量系统满足空间引力波探测及地基干涉实验的需求。

传统的大口径光学元件干涉测量方法依赖于根据不同测试样品人为改变扩束镜头和光路结构，该方法会不可避免引入一些系统误差，因此针对双光路干涉仪的功能需要和仿真实验，提出了一套对应的双线控制方案。通过蓝牙通信、串口通信和机械结构的相互配合可以对光路进行多次折转和校准，使得每次切换测量口径后的光学元件变化位置固定，并在基于MFC(microsoft foundation classes)开发的交互界面显示实时状态。结果表明：在450 mm测量口径下，PV₁₀测量重复性可达到0.004 λ，RMS测量重复性可达到0.000 4 λ；在100 mm测量口径下，PV₁₀测量重复性可达到0.000 8 λ，RMS测量重复性可达到0.000 16 λ。实验结果表明该系统保障了优越的测量效率和测量重复性，为双光路干涉仪的研发提供了参考价值。

角锥棱镜由于本身缺陷会导致失偏效应。在平面镜外差干涉仪中，使用一种保偏反射镜组替代角锥棱镜，以减小外差干涉仪的非线性误差。根据这个平面镜外差干涉仪的基本光路图，基于偏振分光棱镜和角锥棱镜的基本光学特性，分析了平面镜外差干涉仪中3个偏振分光棱镜偏摆角、仰俯角和滚动角，保偏反射镜组中2个偏振分光棱镜之间的间距和角度，以及角锥棱镜的偏摆角和仰俯角等误差对干涉仪的影响。推导出外差干涉仪中各个光学元件的最大安装误差，并规定好其加工精度，确保外差干涉仪性能。

鉴于通过测量高精度的位移数据可以获得高精度的微重力加速度数据，进而服务于多种空间科学载荷的研究任务，提出了一种基于三组正交对称角锥棱镜的双频光路，利用外差干涉测量技术实现空间惯性质量块的六自由度位移和角度测量的方法。通过光路矢量分析建立了实际角锥棱镜的光路模型，考虑质量块在运动过程中带来的附加光程差，推导了各测量光路的光程变化与质量块六自由度位姿的函数关系。为了克服小角度近似法精度不高的缺陷，提出了利用数值计算法解耦姿态角进而获得相对位移的位姿解算算法。利用空间在轨位姿数据和随机位姿数据进行系统仿真。仿真结果表明：数值计算的位移误差小于0.02 fm，且该方法的计算误差不会随着飞行器振动的增大而变大，算法具有更高的精度和更好的适应性。最后，分析了系统的误差来源，在保证角度安装误差小于5 mrad、距离安装误差小于10 μm且平行度小于2 mrad时，系统的姿态角测量误差小于0.017°，位移测量误差小于10 nm。本文提出的六自由度测量及解算方法也可以服务于其他精密加工与检测领域。