近年来,单光子激光雷达因其具有单光子灵敏度的探测优势,逐渐成为远距离微弱信号探测的首要选择。然而,根据泊松触发原理,单光子激光雷达的探测概率受到回波光强度的影响,回波光强度的变化直接导致输出的直方图分布发生畸变,从而限制了单光子激光雷达对目标信息的感知能力和识别能力。根据激光传输理论和目标散射理论,开展目标的表面材质、目标距离分布、入射激光功率和探测时间对单光子激光雷达回波特性的研究是非常有必要的。因此,本文从仿真和实验研究出发,开展基于BRDF的单光子激光雷达目标散射特性的研究。首先,论文介绍了Gm-APD激光雷达工作原理和触发模型,建立回波光子数分布与光电触发计数值之间的关系。介绍辐射度学的基本理论,包括辐射强度、辐亮度、辐射出射度和辐照度的定义和理论公式。研究了BRDF、激光雷达散射截面（LRCS）和激光雷达方程三者之间的函数关系。通过对单光子激光雷达触发原理和目标散射模型的理论研究,为后续的数值仿真和实验验证奠定了理论基础。其次,论文提出了单光子激光雷达全链路Monte Carlo仿真模型,该模型充分考虑了探测过程中包括大气传输、目标散射、接收端透过率、探测器光子吸收以及探测器触发特性等因素对回波光子数的影响。采用Monte Carlo方法对目标散射特性、大气传输过程、接收系统及探测器吸收触发等进行仿真,克服了传统仅基于触发模型的精度问题。具体为基于线性测量的BRDF模型,仿真分析弱光条件下不同材料和不同距离下目标的回波光子数分布,同时将仿真结果与实际测量结果进行对比。结果表明,该仿真模型能较好的反映出单光子激光雷达回波光子数随着入射角、入射能量和探测距离变化的情况。最后,基于BRDF的相对测量原理,利用单站线性模式测量装置测量了漫反射板、黄铜等多种不同材质的目标散射特性,获得线性测量的双向反射分布函数;基于收发合置的单光子激光雷达测量装置,研究了单光子激光雷达从近饱和状态到回波为单光子量级的目标散射特性变化,通过加衰减片的方法,利用相对测量原理获取目标的BRDF特性,实验数据表明单光子测量的BRDF和线性测量获得的BRDF之间存在较大差异,结果表明光学粗糙度有作为区别喷砂铝板、大理石和铜板的可能性;之后分析了统计帧数对于弱光条件下漫反射板回波光子数分布的影响,随着统计帧数的提高,回波光子数趋于稳定,进而分析了统计帧数对于铜板BRDF参数估计的影响,讨论了不同透过率下统计帧数对误差的影响,结果表明,随着回波光子数的降低,需要更多的统计帧数使得BRDF模型参数估计的误差保持在合理范围。