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在分析传统的光疯质心亚像素细分算法误差原因的基础上，提出了一种基于“金字塔思想”分层方式的三次线形插值和最小二乘拟合的质心算法。通过多次插值对光斑图像进行逐层细分，采用最小二乘曲面拟合在每一层内进行迭代计算。结果表明，该文分层插值方法提高了图像的分辨率，减小了图像系统误差和随机噪声等因素对算法精度的影响，通过该方法获得了较高精度的图像光斑中心位置。仿真实验测试证明，分层插值拟合方法精度优于质心法和曲面拟合法等传统算法，在实际的飞行器测量实验中具有很好的实用性。