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。

为了实现对钞券表面涂层高速在线检测，研制了一种基于高速钞券质量检查机的实时近红外弱信号检测系统。首先，根据涂层材料的特性，采用近红外波段的发光二极管和光电二极管，研制了驱动和弱信号采集电路；然后，利用现场可编程门阵列和图形化虚拟仪器平台实现了数据的实时传输和处理；最后，提出了计算信号峰值强度的峰值标准差法并分析了该算法的实时性，进行了钞券表面涂层检测和算法实时模拟实验。实验结果表明，在钞券22 m/s的运行速度下，无论衬底是简单或复杂，未涂布钞券的信号均明显高于已涂布钞券的信号，分别差约为7 000，4 000，1 400，衬底图文越复杂，信号差越小。算法开始至结束的时间约为2~3 ms，远小于22 ms的钞券时间间隔，算法速度满足实时要求。本文研制的系统具有高速、实时、稳定的特点，可高效检测纸张表面的涂层有无，有望为涂层在线质量检测提供一种全新的方法。

纸币是国家发行并强制使用的货币符号，2019年中国人民银行发行的2019年版第五套人民币纸币，两面采用了抗脏污保护涂层，使纸币的整洁度明显改善。作为“国家名片”，在纸币生产过程中，对每一道工艺都有严格的质量控制，涂层是通过涂布机将涂布液转移、固化至纸币两面，由此称为涂布工艺。为了更加合理地控制涂布质量，生产中需要检测纸币涂层的厚度。针对该需求，文中建立了纸币图纹作为复杂衬底的涂层厚度光学漫反射模型，采用傅里叶近红外光谱仪和激光共聚焦显微系统对已涂布和未涂布的纸币进行识别并定量检测。文中首先根据涂层物质在近红外光谱可被有效识别的特点，对涂层的近红外吸收光谱数据提出了基于多元散射校正（MSC）与二阶导组合的分析方法，确定4 346.764 cm⁻¹为特征波数。再根据反射率、粗糙度对涂层厚度的模型解耦，最后通过激光共聚焦显微系统检测了已涂布纸币的涂层变化，并将其与模型的厚度解耦结果关联，得出测量涂层厚度最小为3.807 μm，最大为12.738 μm。最终结果表明该检测方法对纸币生产中涂层质量控制具有重要的实践指导意义。

单目视觉中的位姿估计是三维测量中的一个关键问题，在机器视觉、精密测量等方面运用广泛。该问题可通过n点透视（PnP）算法求解，正交迭代算法（OI）作为PnP算法的代表，因其高精度的优点在实际中得到了广泛运用。为了进一步提高OI算法的稳健性和计算效率，提出了一种加权加速正交迭代算法（WAOI）。该方法首先根据经典正交迭代算法推导出加权正交迭代算法，通过构建加权共线性误差函数，利用物点重投影误差更新权值，达到迭代优化位姿估算结果的目的；在此基础上，通过自适应权值，整合每次迭代过程中平移向量以及目标函数的计算，减少迭代过程中的计算量，从而实现算法的加速。实验表明，在12个参考点中存在两个粗差点的情况下，WAOI的参考点重投影精度为0.64 pixel，运算时间为8.02 ms，精度高且运行速度快，具有较强的工程实用价值。

针对现代工业生产中大型装备的生产、制造和装配对于姿态精准测量提出的需求，提出了一种基于加权最小二乘的激光跟踪姿态角测量方法。首先，阐述了姿态测量系统的组成，并对姿态测量系统中使用的坐标系进行定义；其次，建立了姿态测量数学模型，在此基础上利用加权最小二乘法对冗余角度信息进行数据融合，并采用蒙特卡洛法对融合方法进行了仿真分析；最后，搭建了姿态测量实验平台，利用精密二维转台对系统姿态角测量精度进行了评定。实验结果表明：在[−30°, 30°]角度范围内，测量距离为3 m时姿态角测量精度为0.28°，测量距离为8 m时姿态角测量精度为1.76°；与单目视觉法相比，姿态角测量精度在3 m时提升了6.7%，在8 m时提升了18.8%。文中提出的数据融合方法对姿态角测量精度的提升具有较好效果。

高性能光学成像器件是机器视觉测量的重要基础，液体透镜作为一种结构紧凑的快速电控调焦器件，在机器视觉测量领域中具有明确的应用前景。针对液体透镜调焦器件在视觉测量中性能易受环境干扰、系统内参难以准确标定的问题开展研究。首先，构建了基于Optotune液体透镜器件的机器视觉测量系统，分析了液体透镜器件电控调焦工作机理，提出了调焦系统的电流-焦距数学模型，研究了影响液体透镜调焦系统参数的温度、重力因素作用机理，分别提出了温度-焦距、重力-主点位置影响量传递与补偿数学模型；然后，将上述各系统模型与针孔相机成像模型相结合，提出了液体透镜调焦系统的函数化内参表达式，设计了求取表达式全部系数的标定装置与标定流程，并进行了系统内参标定实验，验证了文中内参标定方法的可行性；最后，利用标定所得的内参对边长30 mm的棋盘格靶标进行了测量实验，通过尺寸测量精度反映内参标定精度。实验结果表明，文中方法能够得到比现有插值法更准确的内参标定结果，其中图像角点空间映射位置误差均值为0.10 mm，棋盘格边长测量结果最大相对误差为0.68%，两项误差比插值法所得内参的测量结果分别减小了27.2%和54.4%。