高精度的距离探测对卫星组网编队、三维形貌测量、器件标定、高端工业制造、安防以及自动驾驶等领域具有重要意义。飞秒激光由于其短脉冲、宽光谱以及高重复频率的特点,在高速精密测距领域具有重要作用。传统飞秒测距方法难以在亚微秒级探测时间下实现纳米级精度的测量,为了追求高速、高精度的距离测量,发展出了基于实时傅里叶变换的干涉测距方法,也称为时域拉伸干涉法。随着进一步发展,基于飞秒激光的时域拉伸技术已经成为在光学信号处理、大气探测、高速成像、生物医学检测和高能物理等研究领域中的有力工具。本工作基于飞秒时域拉伸干涉测距方法,分析了在现有电子器件的处理能力下,在距离反演方面对于探测得到的高速高频信号存在难以实时存储和计算处理的问题,分析了该方法在纳米级测量精度方面受到飞秒激光重复频率和偏移频率稳定性限制的问题,并分别提出了采用微波光子信号处理方法以及绝对频率锁定技术结合相位反演方法的解决方案。本文的主要工作如下:1.简要回顾了超快光学的发展,并针对距离测量应用,介绍了目前主流的飞秒测距方法以及时域拉伸技术的应用发展。指出基于时域拉伸的飞秒测距方法具有实现高速、高精度探测的应用潜力。2.基于时域拉伸技术的干涉测距系统采用全光纤马赫-曾德干涉结构,携带距离信息的飞秒脉冲经色散光纤后,产生时域拉伸干涉信号。待测距离信息被包含在时域干涉信号的频率项中。由于探测信号频率高,为了应对高频时域信号的存储和实时处理方面的挑战,引入微波光子学实时信号处理方法。系统中最终只需要探测光强度,从而降低了仪器硬件需求,将探测器带宽需求由20 GHz降低至350 MHz,具备实时探测能力。通过距离-透过率映射标定关系,将探测得到的透过率对应至相应的距离值,在15 mm和45 mm动态范围内,测量更新率为0.1 MHz,测距精度达到微米量级。3.除了实时性外,另一方面是探测精度问题。飞秒激光器的重复频率和偏移频率的稳定性均会影响最终的测距精度,通过实验论证了随距离变化的时域干涉信号是相位敏感的。为了追求更高的探测精度,通过反馈回路对飞秒激光器进行绝对频率锁定实现相位稳定的时域拉伸干涉信号。为了避免高阶色散引起的时域信号啁啾,通过建立时-频映射关系,将探测得到的时域干涉信号转换为无啁啾的频域干涉信号。对信号处理方法进行了优化改进,采用相位反演的方法,在相应待测距离下,通过对频域干涉信号的累积相位进行线性拟合,由拟合斜率获得距离值。这种距离反演算法处理简单,对脉冲形状不敏感,在毫米级动态范围内,能够实现高速纳米级探测。4.基于飞秒激光的宽谱特性,提出了多通道探测的飞秒时域拉伸激光雷达的设计思路。结合多种波束控制技术,展望了飞秒时域拉伸测距雷达在三维成像领域中的应用。