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。

大气二氧化碳作为最重要的温室气体之一, 它的变化和分布备受关注, 差分吸收激光雷达(DIAL)系统是探测大气二氧化碳浓度的重要手段, 对于研究温室气体的源和汇具有重要意义。 主要研究正弦调制连续波差分吸收激光雷达在水平路径上探测CO₂平均浓度, 利用HITRAN数据库中CO₂及H₂O的吸收光谱, 综合考虑CO₂的吸收截面及H₂O的干扰, 选择差分吸收激光雷达的工作波长On-line: 1 572.335 nm, Off-line: 1 572.180 nm; 声光调制器取代电光调制器对连续波激光强度进行正弦波调制, 两路调制信号频率有细微差别, 其中On-line调制频率为101.833 kHz, Off-line调制频率为99.733 kHz; On-line光源激光器通过光谱调制技术将激光频率锁定在气体池吸收峰1 572.335 nm处, 并采用在相位调制器上施加直流偏置反馈电压来消除相位调制器的残余幅度调制(RAM), 使波长锁定精度大幅提高, 激光频率锁定系统实现On-line光源激光器在12小时输出波长均方根误差为0.05 pm; 在CPU中实现快速傅立叶变换获取回波光信号和发射监视端激光强度的功率谱, 并选择窗函数和频谱校正算法来提高计算精度; 通过调制连续波激光强度的正弦波相位鉴别获取路径的长度; 系统光路为光纤光路, 使其结构紧凑; 对系统进行外场实验和对比实验; 获取上海市区1.3 km路径上二氧化碳平均浓度, 实验数据显示系统观测精度为4 ppm(百万分之一), 且探测到的CO₂日变化趋势与二氧化碳点探测器LI-7500A探测到的日变化趋势相吻合。