为分析死时间、暗计数等因素对单光子相干测速性能的影响，搭建了基于近红外单元单光子雪崩二极管探测器的外差相干测速实验系统，实验分析了探测器暗计数率和信号探测光子计数率对多普勒信息重建的影响，以及由探测器死时间决定的饱和计数率限制下的最优信号探测光子计数率。在1 μs探测器死时间、1 ms采集时间下，分别对1.8 kHz、52.4 kHz和194.4 kHz探测器暗计数率影响下的光子到达时间序列进行快速傅里叶变换，从频谱数据中提取拍频信号。实验结果表明，随着光子计数率的增加，相干拍频信号频谱信噪比逐渐增大而后趋于平稳，当接近饱和计数率时，在相干拍频信号频谱低频区域和拍频频率两侧出现了谐波分量，谐波频率间距与光子计数率数值基本相等，受谐波影响较小的最优光子计数率约为单光子探测器饱和计数率的90%。研究结果可为全光纤单光子多普勒测速雷达技术的发展和应用提供参考。

光子计数测距激光雷达在暗弱目标探测、激光遥感等方面均有着极大的应用潜力。激光固态密集分束照明探测虽然相较逐点扫描的方法而言，能够有效提高探测时效性，但在保证较高探测空间分辨率的条件下，激光能量损耗较大。为了能够既保证对目标的高效探测，同时减少密集分束对激光能量的消耗，提出了旋转扫描与推扫相结合的探测方法。对目标进行激光分束照明后，在推扫的过程中快速旋转激光束群，并利用单光子阵列探测器同时对不同目标点返回的信号光子进行采集，以此在固定时间内得到更多的采样点数据。搭建单光子测距系统，发射端利用光纤将激光进行分束，利用位移台模拟推扫，旋转光纤支架模拟旋转扫描，接收端通过单光子阵列探测器并行接收回波光子。对文中所提方法进行了原理性验证，测量出系统测距的精度和准确度，并对上述二者与光子计数间的关系进行了探究。实验结果表明：对于文中所搭建系统，目标点所在像素位置测距的精度优于1.48 cm，准确度优于2.78 cm。二者均随着光子数的增加而提高，并逐渐趋于一个常数。经过旋转扫描，所测得的深度信息较未经旋转扫描所测深度信息增加了33%。总结可得通过旋转扫描能够有效提高探测得到的目标空间分辨率。

星载光子计数激光雷达在接收信号的过程中会产生大量噪声，并且在复杂的山区地形中信噪比低，极大地影响对植被点云信号的准确提取。为解决该问题，提出了一种基于山地坡度的密度聚类算法。通过分析点云数据的密度和森林目标地形特征，用最大密度中心搜索法进行粗去噪，基于点云数据计算坡度角以优化密度聚类，完成数据精去噪。通过对提取的森林区域信号进行分类，拟合植被冠层廓线和地表廓线，结果表明本算法提取植被光子信号的准确率较高，地面与冠层廓线的RMSE分别为0.3588 m和3.7449 m，更适用于植被遥感点云数据处理。

光子计数激光雷达具有高灵敏度、高时间分辨率等优势，为了实现在大量回波数据及强噪声环境下目标信息的高效提取，提出一种自适应时空关联深度估计算法。首先，根据回波数据中信号光子和噪声光子与发射激光脉宽的关系，利用回波光子在时域上的统计差异，自适应重构具有不同时间分辨率的直方图，并结合邻域像素数据之间的空间关联性，自适应调整时间窗口的大小，寻找信号光子所在的时间区间并提取相应的数据，显著降低后续处理的数据量；其次，基于所提取的回波光子数据，设置滑动窗口初步估计各像素的时间值；最后，通过自适应均值滤波得到各像素的飞行时间，解算相应的距离信息。相较于峰值法和Chen算法，在起伏地形探测的仿真实验中，当信号光子数约为14、噪声强度小于6 MHz时，重建的均方误差至少降低了20%；在室内静态目标成像实验中，当噪声强度在5.08 MHz范围内，所提算法进行目标重建的最大均方误差为0.017 。仿真及实验结果表明，所提算法对强噪声下起伏地形和室内静态目标探测的回波数据均具有较好的滤波效果。