星载激光测高仪接收脉冲回波信号的时间重心可以反演激光测距值和目标高度。目前，基于时间重心的反演理论都是面向冰川、海洋和贫瘠山脉等单一模式的线性目标而开展的。然而，对于海岸边界、极地海冰、山地和人文建筑、森林等复杂的多模式目标而言，相关的研究理论则无法适用。因此，研究多模式回波信号的理论模型及其反演方法是拓展星载激光测高仪反演功能的关键。根据多模式目标的空间分布特点，采用倾斜度、区域范围、中心位置和高度等参数实现目标的几何化建模。基于一阶矩函数的定义和积分转换方法，结合接收脉冲回波信号的建立过程，推导出多模式回波信号及其时间重心的数学表达形式。通过数值仿真方法及参数分析理论，模拟出不同的目标空间几何参数条件下，激光测距值及目标高度的变化规律。所得结论对于评估星载激光测高仪的技术指标及其目标高度信息的反演精度具有重要的指导作用。