时间相关单光子计数（Time-Correlated Single Photon Counting,TCSPC）激光雷达是TCSPC技术在脉冲激光雷达中的应用,具有单光子探测的灵敏度和皮秒级时间的分辨率。基于压缩感知（Compressed Sensing,CS）的单像素成像技术采用一个单点探测器实现二维成像,不仅成本低、而且具有超高灵敏度和快速成像的优点。将时间相关单光子计数激光雷达技术与单像素成像技术相结合,可以进一步提高灵敏度和缩短成像时间,从而实现远距离极弱信号的探测。本文设计并搭建了一个基于单像素成像技术的光子雷达,实现反射率和深度成像。主要内容及研究成果如下:（1）搭建了基于压缩采样的单光子反射率和深度成像系统,系统主要由皮秒脉冲激光器、光电倍增管（Photomultiplier Tube,PMT）单光子探测器、数字微镜器件（Digital Micro-mirror Device,DMD）、TCSPC模块和扩束望远镜组成。开发了基于现场可编程逻辑门阵列（Field Programmable Gate Array,FPGA）的精准同步控制电路。实现了由粗时间和细时间构成的光子到达时间连续测量的方案,由基于FPGA的控制电路对激光脉冲进行计数作为到达光子的粗时间,TCSPC模块测量探测到的光子与下一个相邻的激光脉冲间隔作为光子到达的细时间。（2）建立基于压缩采样的单光子反射率和深度成像系统模型,利用蒙特卡洛仿真方法仿真通过光子计数重建反射率图像和对光子到达时间序列进行插值抽样重建深度图像的过程,研究了采样次数,成像时间,噪声水平对成像质量的影响。进一步地,采用蒙特卡洛方法对时间门控的非视域（None-Line-of-Sight,NLOS）成像机制和影响成像性能相关参数进行了仿真,为后续工作奠定理论基础。（3）实现了高灵敏度的反射率和深度成像。对不同成像场景进行了反射率和深度成像结果分析,实验表明采样率对反射率成像质量有显著影响,深度成像分辨率为4.696cm。针对高分辨率图像重建耗时长,数据量大的问题,设计了采样和重建联合优化深度学习压缩重建网络,与已有网络和传统算法相比,所设计的网络重建质量和重建时间都有明显提高。进一步搭建了基于多反射面的单光子压缩成像系统。对物体表面散射情况及光子传输流程进行分析,通过实验验证了时间门控、不同反射率物体和中介面对成像结果的影响,为非视域成像奠定基础。