随着激光器技术和光电探测器的发展,激光测距技术广泛应用于空间碎片探测、卫星激光测距、空间交会对接、航天器自主着陆和靶场光电测量中。激光测距技术因其具有测量精度高,作用距离远,布站位置灵活和数据处理实时性好等突出特点,逐渐成为靶场飞行目标测量的重要手段。激光测距技术在国内外的研究已经比较成熟,但对于飞行目标激光测距的应用和系统设计仍有很多问题需要深入的研究和探讨:(1)飞行目标激光测距误差成因及修正方法;(2)目标形状及姿态变化对测距精度影响问题(3)回光数据稳定性的影响因素及系统优化方法(4)中远距离飞行目标脉冲激光测距系统的最优化设计问题等。为此,本论文主要针对目前单站式飞行目标轨迹测量系统中激光测距存在的问题开展理论和实验研究,为进一步的工程研制和应用打下基础。主要研究内容如下:本文首先从系统原理与组成的角度分析了测距系统各个单元设计方法,进行了测距系统主要参数和性能的分析。理论研究了飞行目标激光测距的各种误差源及其对测距精度的影响。计算了飞行目标激光测距系统各主要参数的误差分配,为系统优化设计和误差修正奠定了理论基础。针对飞行目标表面形状及姿态变化对测距精度影响的问题,深入分析了飞行目标的脉冲激光测距回波过程,建立了一种通过飞行目标的反射特性、表面形状及姿态信息计算回波脉冲时域分布的理论模型。提出了三维目标脉冲激光测距的“微分投影截面分布”的概念,简化了目标回波时域功率分布的卷积计算过程,解决了目标形状的复杂性和姿态的多变性在脉冲激光回波建模中难以定量分析这一难题。对典型飞行目标进行了测距回波仿真,得到了脉冲展宽和测距误差随姿态角变化的规律。为飞行目标回波畸变测距误差的分析和修正提供了理论依据。针对飞行目标激光测距的回光数据稳定性较差的问题,建立了飞行目标激光测距准测概率的理论计算模型。分析了激光发散角、瞄准精度、系统接收口径、目标尺度和目标距离对准测概率的影响,根据分析结果发现在合理范围内适当增加激光发散角可以抑制瞄准误差对准测概率的影响,并给出了测距系统在不同瞄准精度下的最佳发散角设计范围。针对激光测距系统需求的系统指标参数,总体设计了飞行目标脉冲激光测距系统方案。从发射激光光源、发射与接收光学系统、目标探测光学系统、多光轴一致性校准和探测电路几个方面进行了详细的设计和分析。最后,设计了固定模拟目标测距回波特性实验和无人机靶板目标跟踪测距实验,实验结果表明本文建立的三维目标脉冲激光测距回波计算模型和飞行目标激光测距准测概率计算模型在一定误差范围内的有效性。通对某飞行目标的跟踪测距实验数据分析,同时结合差分GPS地面标定实验,从测距能力、测距精度和准测概率三个方面验证了测距系统的性能。