激光雷达是一种能够快速获取地表及地面目标三维空间信息的主动探测技术。频率、测程及精度是衡量激光雷达能力的三个重要指标,伴随着激光雷达在国土测绘、工业测量及文物修复等应用领域的不断拓展,人们对激光雷达的测量效率、测量距离和激光脚点密度提出了更高的要求。传统激光雷达受回波接收范围及测量频率限制,造成测程区间窄、测量密度小,测量效率低等问题。而全数字化激光雷达可以对激光脚点内所有的后向散射回波进行全数字化记录,为后续激光雷达数据处理提供丰富的细节信息。本文针对全数字化激光雷达中宽动态回波信号接收及高效率数据存储、高精度激光测距中波形数据处理与配准及高重频远距离激光雷达中多回波整周期测距模糊问题,从波形数据采集、处理、配准等方面展开研究,主要研究内容与创新包括:1)研究了全数字化激光雷达中波形降噪、波形检波、波形拟合及波形分解四个方面,使用低通滤波进行波形降噪,研究了自适应阈值检波与多种波形建模方法,并使用LM及EM方法完成波形分解;2)针对全数字化激光雷达中宽动态信号接收问题,提出了两路分光与多级放大的方法,设计了相应的波形存储结构,完成大范围信号接收并完成高效率波形数据存储;3)针对全数字化激光雷达中高精度测距问题,使用插值滤波的上采样方法,实现波形数据的高精度时间配准,并建立波形回波特征与幅相误差的改正模型,提高测量精度;4)针对高重频远距离激光雷达中多回波整周期测距模糊问题,提出一种结合神经网络与二进制伪随机码调制发射脉冲的方法,确定回波探测区间。通过以上研究及实验,对真实激光雷达波形数据进行处理与分析。使用两级分光-四级放大的光学设计使回波接收范围扩展到百万级,单采集点波形数据存储仅为原先12%;在1.2GHz采样时,波形上采样及配准后波形测距精度达mm级;使用伪随机调制发射脉冲的方法,解决了高重频远距离测距中整周期多回波测距模糊问题。