随着激光主动照明、单光子灵敏度探测器及高精度计时器的发展,具备高时间分辨率的单光子测距激光雷达应运而生。由于探测器灵敏度的提升,单光子测距激光雷达可在激光回波能量极低的条件下实现目标距离探测,在远距离目标探测及暗弱目标主动探测等应用领域上具有较大的优势。本文对单光子测距激光雷达在高效高空间分辨率测高,目标位置探测,目标姿态识别三个方向上进行了拓展研究。目前,单光子测距激光雷达的探测方式主要有以下几种:逐点扫描探测,发散照明探测,分束照明探测。接收端采用单像素单光子探测器,发射端对目标进行逐点扫描的激光雷达,探测时效性差;接收端采用阵列单光子探测器,发射端采用发散照明的方法相较分束照明的方法而言,激光利用率较低。在进行高空间分辨率探测时,纯固态分束照明方法脉冲能量消耗依然较大。通过探究新的探测方式,在不显著增加激光脉冲能量的条件下实现空间分辨率的探测具备一定研究价值;根据单光子激光雷达进行测距,进而获取目标的空间坐标位置,能够为目标跟踪提供先验信息。采用扫描的方式对目标进行探测,稳定性较差。故在单光子测距激光雷达的基础上进行改进以实现非扫描目标跟踪具备研究意义;基于单光子测距激光雷达可以测得目标各点的相对深度进而恢复出目标的三维特征。利用单光子计数三维成像技术获取更多维度的信息（目标姿态）对于暗弱目标姿态估计具有一定研究意义,目前相关研究较少。本文的主要研究内容与创新点如下:（1）高效高空间分辨率测高:提出了在激光分束的基础上增加了旋转扫描的高分辨率光子计数测距方法。搭建了实验系统,发射端利用光纤将激光分束并对目标进行照明,接收端则采用阵列探测器对多路激光回波信号光子进行接收并处理。将光纤支架固定在电动位移台上,通过移动光纤支架以模拟推扫过程;在推扫的过程中旋转光纤支架以模拟旋转扫描过程,对本文所提方法的正确性于实验室内进行了原理验证。并且对系统的测距精度,准确度以及二者与光子计数间的关系进行了探究。此方法在分束照明的基础上,通过推扫扩大探测面积,在推扫的过程中快速旋转分束后的激光束群,以增加探测得到的目标点云密度,进而提高了目标探测的空间分辨率;接收端采用单光子阵列探测器,并行采集激光回波光子。此方法可同时对大量目标点的数据进行并行采集,相较逐点扫描法,有效提高了探测的时效性;相较能够产生相同数量,相同密度采样点的纯固态激光分束照明的方法而言,所需的激光功率大幅降低。（2）凝视型目标位置探测方法:搭建实验系统,发射端采用发散照明的方法,接收端通过光纤将信号光子导入至单像素单光子探测器上。利用不同长度的光纤使得不同接收子系统所接收的光子的到达时间之间产生较大延迟,进而对经过不同光纤到达的光子进行标记区分,利用单像素单光子探测器不扫描测得多个距离。后续再结合光纤接收端排布位置这一先验信息,通过实验计算得到目标的空间位置。传统上,单像素探测器单次仅可测量一个距离信息;各像素相互独立的单光子阵列探测器虽可同时测量多个距离信息,但价格昂贵,难以集成且有热像素干扰。此方法利用单像素探测器实现了阵列探测器的功能,避免了上述缺点;并能在不扫描的条件下,凝视探测得到目标的空间位置。（3）基于单光子计数三维成像的目标姿态获取方法:利用单光子阵列探测器搭建了单光子计数三维成像实验系统,利用时间相关单光子计数技术采集得到激光回波信号光子的到达时间,进而处理得到目标的距离信息,通过三维成像算法成功得到目标的深度图（在各像素点进行激光测距）。建立多个姿态的目标深度图所构成的数据库,利用库中先验深度图与目标实际深度图做相关性对比,求取二者的相关系数,选取相关性最强的库中姿态作为目标实际姿态。并对目标进行复杂运动时方法的可行性进行了验证。探究了方法成功率与背景噪声间的关系及库中与实际姿态最接近的深度图和目标实际姿态深度图间的相关系数与光子计数间的关系。本文方法相较利用目标单点激光回波光子计数与目标姿态（旋转角度）间的相关性,通过光子计数匹配得到目标实际姿态的方法而言,利用的回波光子从单点扩展到了整个目标表面,不会因单点回波光子信息由于噪声干扰出现误差而失效;同时,本文方法利用的信息维度更多,充分利用了目标的空间分布信息及距离信息,有利于姿态估计。