激光雷达系统属于主动探测系统,通过多种不同的工作方式达到绘制目标三维形态的目的。相对微波雷达系统,激光雷达系统具有更高的角分辨率、更小的发散角等优势,已被广泛应用于民用和军事等各领域。时间相关单光子计数技术是一种随机信号离散采样的技术,统计大量的这种随机信息分析特征。时间相关单光子计数技术是一种新型的离散采样技术,具有光子计数的能力,并具有十分高的时间分辨率。基于时间相关单光子计数技术原理的激光雷达系统,在脉冲式激光测距的原理上,引入时间相关的概念,一方面降低了对激光强度的要求,提高了有效测量的范围,另一方面提高了测距精度。本论文参考近年来国内外相关文献和样机,通过建立合理可靠的探测模型；然后利用可靠的数据数据模型进行信号处理,达到距离的高精度的提取。由于探测器的输出信号具有很强的随机性,提出了一种贝叶斯推论下的马尔可夫信号方法,通过马尔可夫技术在当前对目标信号的采样前提下,完成有关回波峰值位置、峰值幅度等参量的提取,通过重建信号,完成距离特征的提取。依据贝叶斯理论,无法获知这些参量各自服从的先验分布,采用一些后验预设分布及一些阈值分布,可以有效提高对参量存在空间的探测速度。对这种多参量的组合问题,采用Metropolis算法循环逐个快速更新这些参量。这些参量构成一个全局近似解,利用贝叶斯推论对所有全局近似解进行评估,挑选出最为合适的全局近似解作为问题的全局最优解。实验表明,这种以后验信息推断先验信息的方法,具有高度的准确性和良好的鲁棒性。此外,由于目标具有多样性,从而导致信号具有多样性。本文提出了一种模拟回火马尔可夫蒙特卡罗全波形分析方法(Simulated Tempering Markov Chain Monte Carlo, STMCMC),用于求解全波形数据中的波峰数及峰值位置等参量。该方法采用Metropolis更新策略求解波峰数量和噪声两个参量,达到快速求解的目的；而峰值位置和波峰幅值则采用改进的模拟回火策略求解,通过添加的主动干预回火的步骤,实现对参量更新过程的有效探到,以满足对速度或者运算收敛性的要求。模拟回火马尔可夫蒙特卡罗全波形分析方法以马尔可夫算法为基础,仍保持马氏链的收敛性,从而保证本方法具有良好的鲁棒性,实现对全波形数据的自动化处理。