激光三维视觉系统是采用激光作为探测手段的一种高精度、小型化、集成化的复杂环境探测系统。它具有测量精度高、获取信息全面、响应速度快等优点，在智能机器人、自主车等智能移动平台上有着广泛应用，对空间探测、海洋勘探等恶劣环境探索起了很大的促进作用。本文主要围绕激光三维视觉系统的高精度测距展开研究，重点研究了高精度时差测量，主要工作包括以下几个方面：首先，从理论上分析了直接探测与相干探测的优缺点，针对激光三维视觉系统的应用背景，提出采用直接探测方案。系统采用1.55um脉冲光纤激光器作为光源，采用飞行时间测距法，测距精度直接取决于回波脉冲与发射脉冲的时差测量精度。本文将时差测量细分为脉冲定时和时间间隔测量两个部分。在分析前沿定时、过零定时、恒比定时和波形型心定时四种定时方案的优缺点基础上，结合仿真实验提出采用恒比定时作为系统定时方案。分析时间间隔测量的主流技术方案，结合系统应用提出采用数字时间内插作为时间间隔测量方案。然后，根据激光三维视觉系统的信号处理特点，提出硬件平台的总体设计方案。硬件平台采用数字接收技术，采用高速采样AD搭建回波信号处理的硬件系统。硬件系统以高速AD和FPGA芯片为核心，对电源电路、时钟发生电路、接口电路等进行了设计。分析高速电路的特点，在信号完整性的规则指导性下设计了高速PCB。最后，结合FPGA硬件平台的特点，对恒比定时和数字时间内插进行了模块化的设计。根据信号模型对每个模块进行参数计算，使用VHDL设计模块，利用MATLAB产生测试数据对模块进行了功能测试。在保证模块满足设计要求的前提下，将恒比定时、数字时间内插整合成时差测量系统。对时差测量系统进行测量精度验证实验，实验结果表明时差测量的精度为0.492ns，相应的距离测量误差为0.0738m。