测距精度是相位式激光测距系统的重要指标之一。为了提高测距精度，采用欠采样方法和全相位FFT(all-phase FFT, apFFT)算法设计了鉴相电路，使用卡尔曼(Kalman)滤波提高了测量数据的稳定性。根据欠采样谱分析鉴相原理，仿真分析了在不同采样频率和不同信号频率下的鉴相精度，对比了基于欠采样的FFT鉴相法和apFFT鉴相法在高斯白噪声、频率偏移等因素影响下的鉴相性能。仿真结果表明，欠采样不会影响鉴相精度，并且欠采样apFFT鉴相法的鉴相精度优于欠采样FFT鉴相法。进行了鉴相性能的实验验证，实验数据表明，当采样频率为100 MHz、信号调制频率为201 MHz时，apFFT鉴相精度为0.134°，卡尔曼滤波后鉴相精度优于0.023°，测距精度可达0.20 mm。因此，基于Kalman滤波的欠采样apFFT鉴相法具有精度高、抗干扰能力强等优点，在相位式激光测距系统中具有重要的应用价值。

为解决工业现场测量对高速实时精密测距的需求，设计并搭建了一套高速高精度的激光测距系统。系统采用双测尺同时调制的激光光源以及双路信号同步探测的信号处理技术，提高了系统测量速度以满足高速测距的需求；分析验证了欠采样方法应用于的高频信号测鉴相的有效性，基于欠采样可有效降低了鉴相处理电路的复杂度。采用201 MHz+3 MHz的双测尺调制光源及40 MHz的采样频率，结合收发光学系统及信号解算电路，搭建了高速激光测距系统；进行了激光测距系统的测量速度和测量精度实验。实验结果表明，该测量系统的测量速度可达62次/s，测距精度可达±0.2 mm。该系统具有高速高精度的实时测量性能，可用于高精度激光扫描仪、动态跟踪测量等高速测距系统。

相位测距是一种非常重要的绝对测距手段，是大尺寸精密测量的重要保障。提高激光调制频率并采用高性能器件实现高频采样分析是提升相位激光测距精度最有效的方式之一。针对高性能器件的最大采样频率总是受限，难以满足高调制频率采样的难题，分析验证了欠采样方法用于相位测距的可行性，同时仿真分析了全相位傅里叶频谱分析法（all-phase Fast Fourier Transform，apFFT）提高鉴相精度的优势。在此基础上，提出“欠采样+ apFFT”的方法，并构建了激光相位测距的鉴相系统。当调制频率为201 MHz，欠采样频率为100 MHz时，系统鉴相精度高于±0.04°，对应的测距精度为±0.08 mm。实验结果表明，基于“欠采样+apFFT”的相位测距方法具有高精度、抗干扰能力强等优势，在科学研究与工程应用中具有重要价值。

测量速度和测量精度是相位式激光测距系统的两个重要指标。针对高速高精度测距需求，研究了基于矢量内积(Vector Inner Product, VIP)法的高速数字鉴相方法，从鉴相计算的点数、鉴相计算速度和鉴相精度等方面对VIP法的鉴相性能进行了仿真分析和实验测试，并与传统的数字频域鉴相法(Discrete Fourier Transform, DFT)进行了性能对比。仿真和实验结果表明，VIP法具有更高的鉴相速度和鉴相精度，当信号调制频率为50 MHz时，基于高速采样板卡实测得到的鉴相精度优于0.1°，测距精度0.2 mm以内，相同计算点数VIP法的鉴相处理速度是DFT法的3倍。研究结果表明，VIP法具有鉴相精度高、鉴相速度快的优点，适用于高速高精度激光测距系统。

为消除体相位调制器工作过程中热效应对偏振调制测距精度的影响，提出了利用波导式相位调制器替代体相位调制器的全光纤波导式偏振调制测距方法。对波导式偏振调制测距系统进行原理分析，利用琼斯矩阵得出传输过程中测量光偏振态的变化规律，建立调制信号频率、偏振光强度与被测距离的函数关系。然后，进行了直波导相位调制器特性测试，验证其半波电压随调制频率在3.5~7 V之间变化，正反电光响应一致性为-2%~3%。最后，构建波导式偏振调制测距系统装置并进行实验验证，重复性测试实验中测量平均误差为0.44 mm，测量重复性为0.54 mm，变距离实验中测量平均误差为0.39 mm。波导式偏振调制测距系统能够实现距离的有效测量，具有不产生热效应，结构简单等优点，在激光测距方面具有应用价值。