逆合成孔径激光雷达（Inverse Synthetic Aperture LADAR,ISAL）是一种主动超分辨成像技术,其基本概念来源于微波成像中的逆合成孔径雷达（Inverse Synthetic Aperture Radar,ISAR）。从原理上讲,ISAL的成像分辨率与系统光学口径和目标作用距离无关,因此它能在有限的设备体积下获取远距离目标的高分辨图像。另外,凭借光学波段波长短的优势,相比于ISAR,ISAL具有成像分辨率更高、成像速度更快以及其图像能反映目标的光学反射特性的特点。因此,ISAL在远距离高分辨成像和目标特征识别方面具有显著优势。本论文针对远距离ISAL系统,分别从系统建模和实验两个主要方面进行研究。其中系统建模部分包括ISAL回波信号模型、感知模型以及仿真模型的建立;实验部分包括ISAL系统设计、优化以及外场远距离成像实验。具体研究内容和成果如下:（1）从ISAL成像原理出发,考虑激光信号的光场空间分布,在尽量少的假设下建立完整的ISAL回波模型,并在回波模型的基础上得到矢量形式的感知模型。此外,在ISAL成像原理的基础上,从光学全息的角度阐述ISAL成像的原理,相对于传统电磁场和信号角度的ISAL原理解释,该方式物理意义更加直观明确。同时,从ISAL回波生成过程出发,考察回波生成过程中各链路模型,建立ISAL系统的仿真模型,最后完成对三维目标的ISAL成像仿真。（2）针对基于模型的迭代重构（Model Based Iterative Reconstruction,MBIR）算法展开ISAL成像研究。相对于传统的ISAL成像算法,MBIR方法具有更好的散斑和噪声抑制能力,所得图像从观感上更接近光学图像。本文针对MBIR算法模型复杂、无梯度线搜索求解效率低且不易收敛的问题提出了一种改进的MBIR算法。从光学成像角度出发建立了复反射系数、反射率、测量信号三者间的马尔可夫关系,简化原MBIR算法的优化模型。同时采用梯度形式简单且变化相对陡峭的替代函数代替原有的Q-GGMRF先验模型提升求解效率。最后利用仿真数据和远距离外场实验数据验证所提算法的有效性、鲁棒性和计算效率。（3）设计并搭建了一套用于远距离目标成像验证的ISAL实验系统,并于合肥科学岛开展外场成像实验。针对系统中I/Q调制器电光响应不平坦导致激光信号幅度失真问题进行详细分析,并首次提出利用自外差探测方法对激光信号幅度失真测量和补偿。该方法在实际应用中可依靠系统中的参考通道数据实现,无需其他外部设备和搭建额外测量光路。光纤内和1km外场实验均证明该方法在提升回波信号功率和距离向成像质量上的有效性。最后,进行成像实验,在1km扩展目标成像实验基础上对实验系统再次优化,优化方面包括收发望远镜视场和本振光功率,最终实现对7km扩展目标的成像,参与成像的发射激光能量仅2.56m J。