盖革模式雪崩光电二极管（Geiger Mode Avalanche Photon Diode,GM-APD）阵列激光雷达是一种新型的非扫描式的光子计数雷达,可以响应单光子级能量的回波信号,具有极高的探测灵敏度,使得探测微弱信号成为可能,已被广泛应用于巡航制导、地形测绘、水下探测等领域。但由于GM-APD是概率型器件且激光在介质中具有快速衰减的特性,导致探测到的回波信号过于稀疏,需要大量累计才能恢复出目标回波信号,限制了激光雷达在快速成像场合下的应用;另一方面由于GM-APD探测灵敏度高,易受到噪声干扰,导致探测距离产生偏差,限制了激光雷达在精准定位场合下的应用。因此,本文围绕GM-APD阵列激光雷达成像实时性差、准确性低的问题,对GM-APD阵列激光雷达回波信号开展降噪算法研究。本文从GM-APD阵列激光雷达系统探测原理入手,对激光雷达的噪声特性进行分析,通过激光雷达回波信号的光子分布,建立了GM-APD阵列激光雷达的回波信号触发概率分布模型,结合概率密度函数、累积概率函数和Mente Carlo随机抽样方法,实现了对回波信号数据的仿真,为进一步开展降噪算法的研究奠定基础。针对GM-APD阵列激光雷达成像实时性差的问题,本文对经典卡尔曼滤波算法、简化sage-husa自适应算法进行研究,并在时间相关自适应卡尔曼滤波算法的基础上进行改进,通过增加合理性检验,对光子数据集合进行幅值判断,解决了野值导致的滤波异常问题。仿真结果表明:改进的时间相关自适应卡尔曼滤波算法与简化sage-husa自适应算法相比均方根误差降低了62.10%,单帧程序运行时间减少46.07%,能够实现快速降噪。针对GM-APD阵列激光雷达成像准确性低的问题,本文基于经验模态分解法（Empirical Mode Decomposition,EMD）思想对回波信号进行降噪处理。在EMD时间尺度降噪法和EMD自适应软阈值降噪法的基础上,提出了EMD修正阈值法,通过修正各模态函数的阈值来代替相关模态判别法,解决了噪声和信号的分界点选取不稳定带来滤波不准的问题。仿真结果表明:EMD修正阈值法相比于EMD-滑动平均算法在固定帧数为200时均方根误差降低了11.80%,峰值信噪比提高了12.86%,实现了对目标距离信息的准确获取。最后,搭建了64×64 GM-APD阵列激光雷达成像实验平台,开展了基于GM-APD阵列的激光主动成像实验。实验结果表明,改进的时间相关自适应卡尔曼滤波算法去噪后目标轮廓清晰,单帧运行时间相较于经典卡尔曼滤波算法和简化sage-husa自适应算法分别降低了66.93%和83.7%;本文提出的EMD修正阈值法去噪后目标完整度较好,峰值信噪比相较于EMD时间尺度降噪法、EMD-SG滤波算法、EMD-滑动平均算法分别提高了39.8%、39.2%、28.3%。因此,所提算法能有效地处理实际测量得到的回波信号,提高了GM-APD阵列激光雷达成像的实时性和准确性。