机载激光测深技术是一种能够高精度快速高效地获取水上、水下目标三维点云的主动遥感技术,已经成为浅海水深测量的热门应用之一。随着对激光测深需求的日益增长,传统线性探测体制的激光雷达因其探测器灵敏度以及自身的功耗和重量,在复杂环境下测量存在诸多限制。而光子计数激光雷达引入时间相关单光子计数技术,极大地提高了系统的时间测量分辨率和探测灵敏度,同时也降低了对激光脉冲能量的要求,可实现轻小型低功耗,适应无人机快速机动测绘,在浅海水深测量、潮间带滩涂测绘等领域具有很大的优势与潜力。在测深数据处理方面,传统线性探测体制激光雷达的测深数据是记录激光脉冲在整个传输过程的回波波形信号,波形数据中的回波强度直接表示激光能量的振幅值。对传统激光雷达测深数据的处理就是从波形数据中分解出水面和水底的回波信号,从而实现水深的反演。光子计数激光雷达由于探测机制的不同,其测深数据是探测器响应的光子事件信号,且在单个脉冲中没有强度信息,不能直接分解出水面和水底回波。因此,与波形数据处理的方法不同,需要对多个脉冲进行统计分析提取水面和水底信号。此外,532nm波长激光探测的水面信号实际上是气-水界面和界面下细薄水层中颗粒物散射信号的线性叠加,难以确定水面信号,且水体对激光有较强的衰减,水底信号的强度通常较弱,对水底信号的识别存在难度。而光子计数激光雷达依赖其极高的探测灵敏度和探测效率,可以最大限度地利用激光回波中每一个光子的能量来实现对弱信号的探测。目前为止,在光子计数激光雷达在测深数据的处理上还没有形成统一的规范。本论文针对国产轻小型光子计数激光雷达测深数据的处理方法进行深入研究,主要内容包括:(1)分析了时间相关的单光子计数和光子计数激光雷达测深的基本原理,介绍了国产轻小型光子计数激光雷达的系统组成、工作方案、光学结构及相关性能指标,阐明了其轻小型、低功耗,极高的探测灵敏度的优势,可应用于测量环境复杂的潮间带区域的水深探测。(2)分析了椭圆扫描结构的几何成像方式,并完成水上和水下激光脚点在传感器坐标系的坐标推导,以及结合高精度POS采集的位置、姿态参数,完成了由传感器坐标系到GPS大地坐标系的转换,最终实现光子计数激光雷达三维点云的解算;通过分析几何成像模型构建中存在的系统误差,对传感器坐标系影响较大的扫描角误差和测距误差,分别采用了平行光管的角度标定方法和室外固定靶板的距离标定方法,并给出了相应的改正模型。实验的结果也验证了标定方法的可行性和几何成像模型的准确性,角度标定残差的中误差为0.085°,距离标定的均方根误差为0.0279m。(3)开展了对光子计数激光雷达测深信号探测概率模型的研究。通过分析光子计数激光雷达在在水深探测中传输过程和回波特性,详细讨论了光子计数激光雷达测深信号的回波强度,采用平均光电子数来表征光子计数激光雷达的回波强度,仿真分析了在不同的激光能量下对回波强度的影响,并模拟了不同环境下测深信号的回波强度,建立起回波强度与探测概率之间的关系,为测深信号的有效识别提供了理论支撑。(4)设计了光子计数激光雷达测深数据处理方法,开展了室内静态实验和机载测深实验,并取得了一些有价值的数据。在室内的静态实验中,将K最近邻算法引入到光子事件信号滤波中,采用直方图导数检测的方法来自动识别测深信号,达到水深探测的目的,也验证了探测概率模型和仿真分析的结果。在机载测深实验中,为了获得本文方法对水深探测的实际效果,针对潮间带区域的激光雷达数据,在上述数据处理方法的基础上,设计了利用不同偏振通道来辅助识别水面和水底信号的方法,最终实现了对该区域的水上、水下三维点云的解算。