激光雷达使用激光作为光源，激光光源具有很多普通光源没有的优良特性。激光的单色性可以其具有高度的相干性，将此光源运用在激光雷达系统中将得到极高的空间分辨率，并且能防止其他噪声对系统的干扰。激光的高亮度可以让激光雷达的探测距离范围扩大。用它来探测飞行物能获得准确的数据。因此，激光雷达在军事、工商、遥感、测距等很多方面有重要应用前景。尤其是三维无扫描激光雷达不使用机械式扫描结构，使得成像速度大幅提高，这是激光雷达最新发展方向。本文的主要工作是在无扫描三维激光雷达体制下，建立激光雷达关键技术中最核心的新的测距模型，并对测距的信号处理方式进行深入研究。本文首先介绍了三维激光雷达基本原理，然后从激光雷达理论出发对几种光源调制方式进行讨论、分析了大气传输特性以及各个分系统对成像的影响，还有各种不同的测距理论及其长处和不足。一般的，在阅读大量的文献基础上提出了一种新的基于相位法的载波调制方式，这就是半方波-方波相位相关法。先探讨了此种三维激光雷达的基本原理并导出公式距离方程等，接着用Simulink工具做仿真来验证上述推导。仿真结果说明半方波-方波相位相关法的modulation depth上升至1.2。根据已有的空间分辨率分析知测距精度也得到了有效地改善。测距精度和测距范围往往是一对矛盾，为了解决这一问题，基于上述调制法采用双频率调制的方法结合的方式来实现相位测距，激光雷达系统中相位测量部分大多使用差频数字测相，它的好处是稳定性好电路复杂度低测距精度高但是测距帧频慢。为了改善空间分辨率，增加有效地测程。提出双频测距并用Simulink工具中的各个模块来模拟数字差频测相的过程，仿真结果表明测相的平均误差为0.02度，换算为平均测距精度就是0.57mm。这个精度已经非常高了。详细论述了这些测量方法引起的误差，对单次鉴相频率漂移大气折射率等对测相产生的误差进行了分析并提出了解决方案。在理论上探讨了将该技术应用于三维测距成像激光雷达的可行性和意义。