采用光子计数探测器的三维成像激光雷达可以响应单光子水平的目标回波，从而充分利用激光回波中的光子能量，极大地提高探测效率，大大降低了激光器的复杂度，非常有利于减小激光雷达接收机的尺寸、功耗，非常适用于机载和星载对地观测等对体积功耗有较大限制的场合。　　 论文全面研究了光子计数三维成像激光雷达的相关理论和关键技术。首先，分析和讨论了直接探测激光雷达的相关理论。根据朗伯余弦定律，计算了激光雷达目标回波能量和背景光噪声功率。接着分析了光子计数激光雷达回波光子探测模型，并基于此模型讨论了光子计数激光雷达的探测概率和虚警概率。同时也分析了光子计数激光雷达的测距精度。在理论分析的基础上，研制出了一台光子计数三维成像激光雷达地面验证系统，并基于该地面验证系统进行了大量的系统实验。实验结果表明，光子计数体制可以极大地提高激光雷达接收机的灵敏度，大大降低对激光发射能量的要求。　　 本文主要的研究成果和创新点归纳如下:　　 1)论文中在理论分析的基础上给出了针对光子计数三维成像激光雷达的优化设计方法。首先，通过光谱滤波（超窄带滤光片）和空间滤波（缩小视场角）的方法来抑制背景光可以有效地降低虚警率。其次，采用高重频，低能量激光器，使得单脉冲回波在亚光子级别并进行累计探测的方式更能够充分利用激光发射能量。最后，采用阵列探测模式可以在不影响激光雷达接收信噪比的情况下减小每一元的回波能量水平，从而更有利于对目标的探测。　　 2)论文中利用单光子雪崩二极管探测器、高重频、窄脉冲激光器和二维扫描部件研制了一台光子计数三维成像激光雷达地面验证系统。通过1×8光纤阵列和8个分立光子计数探测器实现了8元线阵探测。　　 3)论文中在同一块FPGA芯片上实现了9通道事件计时器，其可以在一定程度上解决高重频激光探测时出现的主回波距离混叠问题，同时实现高重频、高精度测距。　　 4)论文中给出了基于相关距离泊松分析的回波提取算法，大量实验结果表明，采用相关距离泊松滤波算法可以从太阳光造成的背景噪声中有效地提取回波数据。