大尺寸测量技术是制造和安装高精度大型机械加工零部件的基础支撑技术之一,长期以来一直是困扰计量工作者的技术难题。本文在详细地分析和比较了现有各种测量原理和技术的前提下,就大尺寸光学测量方法进行了深入系统地研究。在脉冲激光测距原理的基础上,建立了单次多测量方法的数学模型和基于有源光环路结构的串行计数大尺寸测量系统。分析了系统色散引起的激光脉冲展宽,以及被测对象粗糙表面反射引起的脉冲展宽和衰减对大尺寸测量系统性能的限制,研究了解决方案。在有源光环路噪声分析的基础上,建立了大尺寸测量系统等效模型,并进行了仿真研究以优化系统结构。通过理论推导和实验验证相结合的方式分析了环路损耗等参数对系统性能的影响,最终确定了以有源光环路的自脉冲代替外部输入激光脉冲构建大尺寸测量系统,以保证测量精度。本系统在提高测量精度的同时,还保留了脉冲激光测距抗干扰能力强和便携的优势,可以降低大型机械加工零部件制造和安装成本,提高效率,具有广阔的应用前景。主要的研究内容有:首先,研究测量激光脉冲飞行时间新方法——单次多测量的数学模型。把激光脉冲飞行时间测量精度依赖于计数脉冲频率转换为更便于控制的时钟脉冲的相移。这样可以绕过电子瓶颈对时钟频率的限制,提高激光脉冲飞行时间测量精度,满足大尺寸测量对高精度的要求。其次,研究可实现性强的测量系统——串行计数系统。设计以掺铒光纤放大器为核心的有源光环路结构,实现大尺寸测量激光脉冲的循环复制,以确保与单次多测量原理保持一致。在有源光环路噪声分析的基础上建立系统等效模型,并通过该模型的仿真研究优化系统结构。然后,设计实验系统,研究光环路损耗、输入激光脉冲功率和光放大器泵浦功率等参数对大尺寸测量系统性能的影响,确定系统最佳工作条件。并通过实验研究比较外部输入激光脉冲方案和自脉冲方案的系统结构和性能差异,以进一步提高测量精度。最后,分析系统的误差种类和来源,根据系统结构特点运用差分测量算法,将系统测量和自校准、自误差补偿有机地结合在一起,使系统能够动态地误差补偿和校准,保证校准过程更方便;配合事件记录得到的冗余数据,共同补偿由于色散、光纤和逆反射器折射率及环境温度等因素引起的确定性和随机性误差,保证系统测量精度。