相位式激光测距仪凭借测量范围大、精度高、抗干扰能力强等优势,近年来被广泛用于空间交会对接、航空航天和大尺寸非合作目标三维形貌测量等领域,对我国的国防建设和国民经济具有非常重要的意义。目前国内研制的相位式激光测距鉴相系统存在采样频率高、鉴相性能差、电路设计复杂等问题,无法保障对目标的高精度测量。针对上述问题,本文提出欠采样全相位谱分析鉴相法,提高系统的鉴相精度及稳定性,在不丢失信号相位信息的前提下通过采样频率的降低,达到简化系统电路,降低系统设计成本的目的。同时,基于FPGA设计欠采样鉴相系统,提高相位解算速度,为高速、高精度、低成本激光测距仪的研制提供理论及方法基础。本文的主要研究工作如下:1.对影响测距精度的关键因素进行分析。在分析相位式激光测距中单频测尺测距和多频测尺测距的系统结构及基本原理的基础上,给出多频测尺条件下调制频率之间需要满足的衔接条件,对影响测距精度的关键因素进行分析。2.提出用于相位式激光测距的欠采样鉴相方法。本文提出使用欠采样的方法对高频信号进行采样,在保障系统测量精度的前提下降低系统采样频率,减小处理器的运算负担,降低系统硬件成本。提出欠采样全相位谱分析鉴相法,提高系统的鉴相精度及抗频率偏移性能。3.设计用于相位式激光测距的欠采样鉴相系统。为提高系统的鉴相速度并对本文提出的欠采样鉴相方法进行进一步验证,设计基于FPGA的欠采样鉴相系统。主要对信号调理电路、A/D转换器采样电路、基于FPGA的鉴相电路和基于ARM的数据传输电路进行设计。本文所设计的鉴相系统鉴相速度可达1000次/秒,满足相位式激光测距仪高速鉴相的需求。4.实验验证及误差分析。完成每个模块的功能测试及系统鉴相精度测试,验证本文所提出的欠采样鉴相算法的有效性。测量非合作目标实验环境下,相位式激光测距仪激光调制频率为40MHz时,实测系统鉴相误差在0.1°以内,可以保障相位式激光测距仪的测量精度为毫米级。