光子计数激光雷达在保持了传统线性探测激光雷达优势(高角度分辨率、距离分辨率、速度分辨率、高隐蔽性、全天时工作)的同时,以盖革模式的雪崩光电二极管(Geiger-mode avalanche photodiode,Gm-APD)探测器取代了传统工作于线性模式的光电二极管探测器,极大的提高了系统的探测灵敏度,在微弱信号探测领域具有明显的优势,因而受到研究学者强烈而持续性的关注,被广泛应用于星载地形测绘、水下目标探测、生物检测、天文观测等领域。Gm-APD探测器以不具备强度响应能力的代价换取了单光子灵敏度的优势,即这种探测器只能响应光子的有和无这两种状态,而不能区分光子的数量也即信号的强弱。在激光雷达的应用环境中,普遍存在环境光带来的噪声,简单的单脉冲探测难以区分目标信号和环境噪声,为了解决这一问题,研究学者广泛采用多周期累加技术,通过累加足够多光子事件建立统计直方图以提取目标位置。然而,采用多周期累加建立统计直方图的过程需要持续足够长的时间,这也是该方法的主要缺点之一,尤其当激光雷达系统与目标间存在相对径向运动时。激光雷达系统与目标之间的相对高速运动会导致目标回波难以在时域上形成聚类,从而不能通过统计直方图提取目标位置,这样的应用场景就对激光雷达提出了具有快速探测能力的要求。因此,如何有效的减小探测时间、提高光子计数激光雷达的探测速度是一个亟待解决的问题。为了解决这一问题,研究学者提出采用高重复频率(MHz)的脉冲光源来减小采集时间,但是,高的脉冲重复频率会显著的减小系统的最大不模糊距离。因而,对于传统的脉冲累加光子计数激光雷达来说,长的不模糊距离和短的采集时间存在不可调和的矛盾。换句话说,采用脉冲累加光子计数激光雷达难以实现远距离目标的快速探测。为了解决这一问题,本文将编码的方法引入光子计数激光雷达系统中,深入研究了基于编码的光子计数激光雷达。本文的主要特色和创新之处在于:本文重点研究微弱信号的快速探测问题。不仅对现有的微弱信号快速探测方法——伪随机编码光子计数激光雷达,进行了深入的理论分析,填补了伪随机编码光子计数激光雷达理论模型的空白;同时,在伪随机编码光子计数激光雷达的基础上进行了拓展和延伸,提出了针对中近距离的真随机编码方法和针对远距离的宏脉冲编码方法。提出的真随机编码光子计数激光雷达巧妙的采用Gm-APD探测器作为随机信号发生器,在保持传统伪随机编码光子计数激光雷达快速探测能力的同时,不仅进一步提高了系统的抗串扰能力,而且从根本上解决了伪随机编码光子计数激光雷达中由于Gm-APD计数率有限导致‘1’码元被漏探测的问题。本文对所提的真随机编码光子计数激光雷达进行了详尽的理论分析,建立了真随机编码光子计数激光雷达的理论模型,并在匹配滤波的基础上,提出了基于正交解调的高精度距离提取方法,为实现弱回波目标的高精度、快速探测提供了技术支持,最后,实验验证了真随机编码光子计数激光雷达用于微弱信号、快速、高精度测距、成像的可行性。提出的宏脉冲编码光子计数激光雷达以发射脉冲串的方式极大的减小了脉冲累加的时间,有效的避免了目标的快速运动对探测性能的影响。同时针对宏脉冲编码方法提出了时移累加提取目标距离的方法,该方法可以简便有效地提取目标距离,提高了宏脉冲编码光子计数激光雷达的实用性。本文深入研究了基于编码的光子计数激光雷达系统;不仅建立了完整的理论模型;并通过数值仿真、实验分析,充分证明了所提方法的有效性和正确性。为解决不同距离范围内微弱信号的快速探测问题提供了完整的技术思路和理论支撑。