激光测距由于原理简单、可靠性强、测量距离远而广泛应用于航天、测绘、军事等领域。随着应用的不断深入，人们对于激光测距系统的尺寸、精度、功耗、测距范围等方面提出了更高的要求。因此采用更小尺寸、更低功耗、能实现更高精度、更大范围测量的单光子激光测距具有特殊的意义。
　　本文实现了基于时间相关单光子计数(Time-Correlated Single Photon Counting，TCSPC)的光子计数激光测距系统。首先从TCSPC技术中用记录脉冲飞行时间的时间数字转换技术入手，本文选择了高精度的时间数字转换芯片TDC-GP22作为时间数字转换器，并结合可编程逻辑阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)通过设计外围硬件电路和软件程序实现了高速、高精度的时间转换器，时间分辨率可达22ps。其次，针对目前对InGaAs/InP型雪崩光电二极管在自由运转模式下研究的问题，本文专门为InGaAs/InP型APD设计了电源纹波小于20mV的高压电源模块、适用于内置半导体制冷器(Thermo Electric Cooler，TEC)且控制速度快的反馈式电桥温度控制电路、适用于外接TEC的且有大驱动电流的PID温度控制电路以及基于FPGA和高速场效应管开关的、能使探测器死时间为60ns的主动抑制电路等外围驱动电路，提升了探测器的整体性能。利用所设计的单光子探测系统对单光子探测器的参数进行了标定，并研究了雪崩光电二级管(Avalanche Photodiode，APD)性能参数和温度与偏压的关系以及参数之间的相互关系，通过分析选定性能发生突变的拐点为APD的最佳工作点，并在最佳工作点处开展了5.4km的激光测距实验。实验结果验证了测距方案的可行性，并在信噪比恶化的情况下通过增加叠加次数实现了抗噪性能的提升。
　　本文还开展了利用注入锁定技术增强高次谐波的任意波形产生方案，通过注入锁定技术放大并增强高次谐波和偶次谐波，通过非线性调制产生第一和第三次谐波，两路波形经过相位和幅度调整后可合成高阶近似的三角波、矩形波、锯齿波和反锯齿波中的任一波形。相对于低阶波形，高阶波形在和理想波形的均方根误差上有很大改善。