植被树高是生物量评估和森林生态监测的重要参数，但是大区域的植被树高数据获取困难.由大光斑星载激光测高系统森林回波可反演大区域植被树高，然而大坡度山区的植被和地面回波混叠严重，难以准确提取波形参数反演植被树高.为此建立森林目标回波的解析模型，推导出从混叠回波中分离植被和地面回波的必要条件，指出导致回波混叠的因素除了目标粗糙度和坡度，还有发射脉冲的发散角.分析了地表粗糙度和地形坡度对植被冠层回波的展宽效应及其对波形分解的影响，通过比较实测GLAS波形和仿真回波波形，验证了压缩光束发散角可降低森林回波对大坡度地形的敏感性.对于卫星轨道高度在500~600 km之间时，激光测高仪光束发散角一般在40~60 μrad，更有利于森林植被树高的反演.所得结论为提高大坡度山地森林树高反演精度，从星载激光测高仪的系统设计角度提供了有意义的参考.

单光子模式激光测高仪具有灵敏度高、重复频率高、重量轻、体积小等诸多优势，其代表着新一代天基激光雷达的未来发展趋势。对常见的高斯回波波形，基于激光雷达方程、单光子探测器统计特性，建立了单光子回波探测概率模型，基于该模型进一步推导了测距误差的量化关系式，并利用蒙特卡罗方法对所建模型进行了仿真验证。理论分析和仿真计算表明：回波脉宽越窄，测距的系统误差和随机误差越小；回波强度越大，测距的随机误差减小，但系统误差增大。以均方根脉宽为1.5 ns的高斯回波为例，忽略噪声影响，当平均信号光子数为1时，单次测距系统误差约6 cm，随机误差约22 cm。

星载激光测高仪通过接收经地表反射的微弱激光脉冲回波，计算卫星与地表的距离；结合卫星位置和姿态数据，生成激光脚点精确地理位置和高程结果。对于高程精度10 cm量级的对地观测激光测高仪，必须对影响严重的姿态角系统误差进行标定和校正。文中推导得出星载激光测高仪姿态角误差与已知地表先验信息相关联的数学模型，设计了利用大洋表面作为地表标定场，通过卫星姿态机动方式，最小二乘估计算法校正卫星在轨系统误差的具体方法。仿真结果表明，所设计的方法能够准确估计存在的姿态系统误差，即使大规模观测值丢失，估计偏差也小于5%。这种在轨运行系统误差的标定方法对于对地观测星载激光测高仪的姿态误差检校具有参考意义。

星载激光测高仪的回波时间重心和脉冲宽度等系统参数对常见海态条件下的测距和反演精度有重要影响。本文根据菲涅尔衍射理论、海洋表面镜面反射理论、海洋波高和斜率统计特性以及激光测高仪回波误差理论, 推导并更正了激光测高仪海洋回波光子数表达式。首次完整推导出了影响海洋回波重心和脉宽因素的表达式, 证明了回波参数主要受发射脉冲宽度、测量天底角、指向角抖动和海洋表面上方风速的影响。除风速为表面特性影响外, 其余为系统参数影响。结合地球科学激光测高系统(GLAS)参数对其海洋回波的测距和脉宽精度做了定量分析, 得出不同风速GLAS的海洋表面单回波测距误差为2~15 cm, 脉宽标准差为0.5~3.5 ns。推导结果对优化设计用于海洋表面测量的星载激光测高仪系统参数、提高回波反演目标特性精度很有意义。