单光子计数激光雷达包括一个高重复率脉冲式激光器和一个具有单光子灵敏度的单光子探测器。通过计算激光回波信号中的光子数并测量光子的飞行时间,恢复远距离物体表面的反射强度和深度。时间相关单光子计数(Time-Correlated Single-Photon Counting,TCSPC)是一种极弱光信号探测的技术。将单光子计数激光雷达系统和TCSPC技术相结合,可极大地提高探测灵敏度,从而允许使用较低功率的半导体激光器进行远距离检测,尤其是在大气环境下对远距离物体的探测和机载遥感等对重量,大小和体积有严格限制的场景中有重要应用。本文将单光子计数激光雷达系统和TCSPC技术相结合,设计了一个基于连续测量光子到达时间的单光子反射率和深度成像系统。主要研究内容及成果如下:(1)搭建了 一种基于连续测量光子到达时间的单光子反射率和深度成像系统。提出在一个扫描位置上连续测量且具有共同起点的光子到达时间测量的方法。激光脉冲的数量由自主研制的现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)控制模块计算为到达光子的粗时间。最近的激光脉冲和到达光子之间的时间间隔由TCSPC模块测量为到达光子的细时间。使用该方法不仅可以实现单光子计数成像,而且可以实现首光子成像,前两个光子成像,前三个光子成像等。(2)建立基于双随机泊松点过程的反射率和深度成像模型并进行了蒙特卡罗仿真。推导了基于双随机泊松点过程的光子统计模型,时间门控滤波算法和基于最大似然估计的反射率算法。采用蒙特卡罗方法模拟了的光子统计模型,时间门控滤波算法和物体反射率和深度图的重建算法,以及光强度,噪声水平和扫描时间对成像性能的影响。(3)开展了反射率和深度成像性能标定实验研究,对不同种类场景下的物体进行反射率和深度成像实验。该系统实现了高灵敏度成像,并实现了反射率和深度图的像素分辨率高达512×512像素。实验结果表明水平空间分辨率为2mm、深度分辨率为5.375cm,每个像素的平均光子数低于1.3个光子。(4)提出了基于迭代方差稳定性变换的快速像素非局部均值的泊松去噪算法(Fast Pixelwise Non-Local Means Poisson Denoising Algorithm Based on Iterative Variance Stabilizing Transformation,IVST-FPNLM)。将方差稳定性变换和快速像素非局部均值去噪算法相结合,对本系统在实验中获得的反射率图像进行泊松去噪实验,并与经典的泊松去噪算法进行去噪性能的对比。实验结果表明在主观评价和客观评价指标上,IVST-FPNLM算法具有更好的去噪效果。