三维形貌测量技术目前已被广泛应用于工业产品零部件的制造与检测、文物重建、逆向工程等领域,而大尺寸、非接触、高精度和高效率的三维形貌测量则是未来的发展趋势。目前国内外在三维形貌测量领域,应用最为广泛的是激光跟踪仪。但由于激光跟踪仪是需要有手持角隅棱镜靶球作为合作目标的接触式测量,因此其测量对象材料的软硬、尺寸的大小均受到一定的限制。而激光雷达则具有测量范围大、环境适应性强、无需合作目标和非接触测量等特点,这也使得本文的选题具有重要理论意义和实用价值。针对大尺寸零部件高精度三维形貌测量的需求,提出了基于调频相干激光雷达原理的三维形貌测量方法。利用基于分段式标准光纤的内外双光路差频测距技术,测量参考光和测量光的频率差来实现激光雷达测距,并采用轴角编码器进行角度测量。在研究了激光雷达三维形貌测量原理的基础上,进行了激光雷达三维形貌测量系统和各分系统的方案设计。根据三维形貌测量技术指标的要求,研究了激光外差探测技术的原理和外差探测效率。给出了差频干涉测量方案,通过测量本振光和信号光的差频信号,提高探测系统的信噪比,解决了被测目标信号过弱的问题。研究了激光频率调谐技术,选取了可连续调谐,且调谐线性较好的光纤光栅外腔半导体激光器作为光源,利用压电陶瓷的压电效应对激光器实现了轴向应力调谐。通过在压电陶瓷上施加不同的电压,使其产生不同的拉伸力,并带动光纤光栅伸长,使波长发生变化,即实现频率调谐。设计了发射/接收共光路的调频相干激光雷达光学系统。根据高斯光学理论,设计了三组扩束准直的无焦变倍发射光学系统,同时利用ZPL宏语言编程,绘制出调焦曲线,使其在机械上能实现平滑调焦。根据雷达方程,计算出系统所需的回波能量,保证经目标返回的光束,具有可被探测器接收的回波信号。为了验证该三维形貌测量系统是否满足技术指标要求,分别进行了自动聚焦测量实验、单点测距实验、重复性测量实验和局部面形测量实验,给出了CCD聚焦性能的验证结果、系统重复性测量结果、车头点云扫描结果以及车头测量误差分布结果。各结果均满足技术指标要求,验证了测量系统方案的合理性。