针对星载GM-APD单光子测距系统难以兼顾宽量程高精度测量问题，文中设计了一种基于等效脉冲粗精两级的精细化时间数字转换电路（Time-to-Digital Converter, TDC）。该TDC首先基于分段式计数原理，设计了粗精两级的计数架构，保证了TDC宽量程测量；其次，针对精计数单元，采用时钟等相差相移π/N，生成等效高频脉冲时钟，将精计数单元的计时精度提升N倍；再次采用多计数器双沿间隔计数方法，将精计数单元计时精度进一步提升至2N倍；最后通过模拟仿真与实验验证对文中设计的TDC进行远距离单光子测距性能测试。仿真与实验结果表明：文中面向远距离单光子测距设计的精细化时间数字转换电路在参考时钟为50 MHz时，计时分辨率为416.67 ps，计时量程达1.31 ms。对室内10 m处目标进行100次测距重复实验，测距误差为5.62 cm，对室外参考距离为2 616.5 m处目标进行测距实验，测距的方差为0.001 7 m，由此可见，基于文中等效脉冲粗精两级精细化时间数字转换电路的单光子测距系统可以实现远距离目标的高精度、宽量程测量。

针对光束在级联式液晶偏振光栅传播过程中的斜入射现象会改变其椭圆率进而降低衍射效率的问题，提出了基于偏振补偿的级联式液晶偏振光栅衍射效率优化方法。运用扩展琼斯矩阵分析斜入射角度对液晶偏振光栅相位延迟的影响，结合斯托克斯参数求解不同斜入射角度下液晶偏振光栅出射光束椭圆率的变化，利用矢量衍射理论完成级联式液晶偏振光栅衍射效率模型的建立。基于液晶分子指向矢分布建立斜入射下液晶电控波片的坐标系，分析斜入射角度对液晶电控波片相位延迟的影响，推导出液晶电控波片相位延迟与椭圆率的关系。通过优化液晶电控波片的工作电压补偿斜入射造成的退偏量，实现对椭圆率的偏振补偿。搭建实验平台验证了理论的准确性与方法的有效性。根据测量结果可知，当光束偏转角度从-5°偏转到5°时，本文所提方法提高了级联式液晶偏振光栅3%~4%的衍射效率。

针对传统迭代最近点(ICP)算法在数据丢失以及存在噪声点的情况下配准时间过长、精度较低等问题，提出了一种基于改进的体素云连通性分割(IVCCS)与加权最近邻距离比相结合的配准算法。利用双阈值体素去噪剔除初始种子体素中的噪声体素，解决原本体素云连通性分割算法(VCCS)中因单一约束条件导致种子体素错误剔除的问题，同时将体素云分层去噪来加快配准的运算速度；利用流约束聚类提取点云中的特征点，并依据最近邻距离比验证特征点是否为重合点，赋予不同的权重优化ICP最小目标函数，从而加快配准速度。实验结果表明，该算法相对于传统ICP算法迭代次数减少，在精度与速度方面均有显著提升，相比于基于快速点特征直方图(FPFH)的ICP算法配准精度提高了8.5%~24.7%，速度上提高了65.6%~92.3%，迭代次数减少了16.6%~38%。