随着激光照明、高灵敏单光子探测、高精度计时以及高速数据处理等前沿技术的发展,具备高灵敏度和高时间分辨特性的单光子计数三维成像技术应运而生。它作为一种新型主动成像技术,在生物光子成像、微弱目标探测、远程遥感测绘等领域具有巨大的应用价值,已成为近年来的研究热点。采用单光子计数体制后,在提高探测灵敏度的同时,源于光粒子性的散粒噪声、环境背景噪声以及探测器暗计数等噪声的影响变得显著不可忽略。通常为抑制单光子探测过程中噪声光子的干扰实现信号有效提取,需要在每个像素上累积成百上千个光子,通过光子到达时刻分布直方图才能获得精确的图像估计。然而,在弱光照明条件下或者对远距离目标探测成像时,可用的回波能量以及积分时间无法满足这种大量光子直方图的累积。因此,单光子计数三维成像技术当前所面临的主要挑战就是,如何提高回波光子信息利用效率,通过少量回波光子来准确重建目标三维图像。本论文正是针对这一挑战,开展了少量回波光子条件下单光子计数雷达三维成像理论与实验研究,主要研究内容与创新点如下:1、设计并搭建了单站式和双站式两种不同光路模式的时间相关单光子计数(Time-correlated single photon counting,TCSPC)三维成像雷达系统,开展了室内近距离和室外远距离(～1 km)目标的三维成像实验研究。开发了栅格式逐点扫描的振镜控制程序以及基于等时间划分的图像数据采集程序,记录了每个回波光子到达时刻或飞行时间信息。通过实验测得单站式和双站式TCSPC三维成像系统仪器响应函数(Instrument response function,IRF)的半高宽分别为484 ps和920 ps。对基于32×32阵列单光子探测器的TCSPC三维成像系统进行了初步实验研究,并完成了面阵探测过程中的系统固定偏差校准实验。2、系统性的对比分析了五种不同的逐像素距离估计算法,包括传统的回波光子直方图峰值法和质心法,以及新近提出结合系统IRF与回波光子直方图信息的互相关算法(Cross correlation,Xcorr)、联合子空间算法(Union of subspaces,UOS)和马尔可夫链蒙特卡罗算法(Markov chain monte carlo,MCMC)。实验研究表明:当平均每像素光子数大于13时,采用Xcorr、UOS和MCMC算法所获取图像的平均绝对误差(Mean absolute error,MAE)均变得更小且趋于稳定,并且优于峰值法和质心法约两倍。同时,通过引入一种更适合的回波光子直方图分布函数模型即两分段广义高斯函数模型,将基于MCMC方法的距离估计收敛速度提高了约两倍以上。3、提出了一种基于空间相关的高光子效率距离和反射率成像算法,以解决少量回波光子条件下的目标图像重建问题。其核心内容包括建立单光子探测物理模型、引入目标或场景先验信息约束以及噪声光子筛查删减。实验研究表明,当回波光子数较少时(平均每像素11.7个),利用所提算法获取的图像距离分辨率达到4 mm,较直方图算法和空间中值滤波算法分别提高4倍和8倍。同时,利用所提算法实现了平均每像素约0.65个光子的1 km远距离目标三维成像,获取相同质量的图像,其所需采集时间较传统中值滤波算法降低了8倍,极大地提高了回波光子利用效率。4、提出了一种在强背景噪声环境下进行单光子计数三维图像重构的五步处理算法,以解决光子堆积效应以及目标先验距离未知所带来的问题。算法核心内容包括:校正因堆积效应而失真的光子计数直方图、目标粗定位、逐像素分离信号和噪声光子、借用邻域像素有效信息填补空白像素以及目标三维图像的正则化最大似然估计。通过在不同噪声水平下进行实验验证与分析,研究表明,所提算法可以在信噪比低至0.41条件下实现目标三维图像重构。