硅光电倍增管（Silicon Photomultiplier，SiPM）具有极高的探测灵敏度和响应速度，且在多光子条件下具有较高的动态范围以及线性响应的特性，在光子计数激光雷达应用中有独特的优势。然而，由于SiPM多像元、单时间通道的工作模式，其输出电压信号相较于其他单光子探测器更大概率出现脉冲堆叠现象，不同鉴别阈值条件下的SiPM探测过程更为复杂。针对该问题，本文建立了SiPM光子事件响应模型，以此为基础分析了由脉冲堆叠引发的屏蔽效应和触发效应两种特殊情况的时域分布，最终建立了SiPM半解析的探测概率与虚警概率模型。同时，搭建了基于SiPM探测器的光子计数雷达系统，通过观察实测输出电压波形以及光子点云分布与理论模型相符（R²>0.95）。通过查全率与查准率对不同鉴别阈值的SiPM光子点云分布进行定量评价，并给出最优鉴别阈值区间，这对基于SiPM的光子计数激光雷达系统硬件参数的优化设计以及探测性能的定量分析具有重要的指导意义。

美国NASA于2018年发射的ICESat-2 (The Ice, Cloud, and land Elevation Satellite-2)卫星上搭载的ATLAS （Advanced Topographic Laser Altimeter System）是目前为止全球唯一一个对地观测的星载光子计数激光雷达，具有较高的轨向空间采样率，为用遥感的方法探测海浪要素提供了可能。光子计数激光雷达用于海浪探测的前提是能够准确地提取来自海面的信号光子，并确定瞬时的海面廓线。迄今为止，用星载光子计数激光雷达探测海面形态和海浪要素的研究鲜见报道，也缺少专门针对海面信号光子的提取方法。基于海面信号光子的分布特点，文中提出了一种新的信号提取算法：首先通过直方图统计及自适应的阈值选取完成对海面回波光子的粗去噪；然后基于激光雷达光斑尺寸和海面波动特点，选取合适的搜索邻域计算信号点和噪声点密度，根据两者点密度差异对信号光子和噪声光子分类；最后用高斯函数拟合的方法进一步去除密度较大的后向散射噪声光子，最终得到来自海面反射的信号光子。利用上述算法提取了太平洋7个不同海况区域的海面信号光子和瞬时海面廓线并进一步计算出当地海浪的峰值波长和周期。将计算结果与同期欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF)的全球大气再分析ERA5(ECMWF Re-Analysis5)数据作对比，在不同风速、水深的海域都获得了基本一致的结果，超过半数区域的海浪周期误差在5%以内，初步证明了星载光子计数激光雷达观测成果用于海浪要素计算的可行性。

光电倍增管（Photomultiplier Tubes，PMT）具有光子级别的灵敏度，而且没有物理意义上的死区时间，在光子计数雷达应用中有独有的优势，但PMT响应单光子输出脉冲高度呈高斯随机分布，且不同脉冲之间还有可能产生堆叠，传统的单光子模型不能准确描述PMT的光子探测过程。针对PMT输出脉冲高度随机分布，脉冲堆叠现象和光子事件鉴别阈值的设置对光子事件探测概率的影响提出了一个新的PMT光子探测模型，并根据实际应用场景进行了简化，通过蒙特卡洛仿真验证了简化模型的适用性。搭建了光子计数雷达系统，通过和盖革模式APD进行实验对比，发现PMT光子探测模型虽然有略微的探测概率损失，但在测距应用中具有更小行走误差和更高测距精确度。实验也证明了新模型相比于传统单光子探测模型更符合PMT的光子事件探测概率分布，新模型对基于PMT光子计数雷达的系统设计和理论分析具有重要的指导意义。

提出了一种基于波形匹配的激光脚点定位方法，该方法以机载激光雷达点云数据作为参考，通过对观测弧段内激光脚点的单点波形匹配和系列脚点相关系数联合处理的方式，精确计算激光指向和距离信息，实现了对高分七号卫星激光脚点在起伏山区的精确定位。使用美国犹他州山地区域的机载激光雷达点云作为当地实测现场数据，对基于论文方法高分七号星载激光测高仪的精确定位数据进行了实验验证。在平均坡度达到20°的犹他州实验区域，观测弧段内高分七号激光脚点高程精度从精确定位前的（2.45±2.93）m提升至（0.27±0.61）m。试验结果表明，该方法可以有效提升高分七号星载激光测高仪观测成果在起伏山区的精度。

在浅水测深技术中，星载激光测量系统可以覆盖一些机载/舰载系统难以到达的偏远水域，具有比被动光学影像水深测量精度更高、可全天时工作等独特的优势。以稀疏而少量的主动星载激光测量值为水深标定点，融合被动星载遥感影像，主被动融合的浅水测深是当前的趋势。本文首先介绍了星载单光子激光雷达的工作范围、物理参数和数据产品，概述了测量原理，综述了现有的星载单光子激光雷达测深的理论传输模型，对比了不同的点云数据去噪处理算法的优劣，归纳了星载融合测深反演技术在不同环境中的应用，总结了当前存在的问题，并对该技术未来的前景和发展方向进行了展望。

发展微焦点高能X射线源技术是实现高精度高能工业CT突破的关键，基于激光尾波加速驱动高能轫致辐射源开展了微焦点高能X射线源产生以及对涡轮叶片高能CT成像研究。利用一台20 TW钛蓝宝石超快超强激光器，通过电离注入的方式获得了（140±44）pC的高能电子束，并使用1.5 mm厚钨靶产生了累积源尺寸为25 μm的高能轫致辐射X射线。利用该微焦点高能X射线源，采用基于压缩感知的CT重建算法，在获取较少角度投影（31个角度）的情况下，获得了对涡轮叶片叶榫结构的CT重建。

在轨标定技术是影响星载激光雷达光斑定位精度的核心技术之一。介绍了目前国内外星载激光雷达的在轨标定技术发展现状，分析了各类在轨标定技术的特点。针对新型的光子计数模式星载激光雷达的特性，提出了一种基于自然地表的星载光子计数激光雷达在轨标定新方法，使用仿真点云对标定算法的正确性进行了验证，并分别使用南极麦克莫多干谷和中国连云港地区的地表数据和美国ICESat-2卫星数据进行了交叉验证实验，实验结果表明：算法标定后的点云相对美国国家航空航天局提供的官方点云坐标平面偏移在3 m左右，高程偏移在厘米量级。文中还利用地面人工建筑等特征点对比了算法标定后的点云与官方点云之间的差异，最后对基于自然地表的在轨标定方法的精度以及标定场地形的影响进行了讨论。

单光子激光雷达所获取的光子事件存在随机分布的特点，使得其激光测距值出现不确定性，从而降低了单光子激光雷达的测距精度。在不减小采样分辨率的情况下，采用累积邻近多光斑的光子事件来构建光子累积直方图，并基于反算的目标响应函数的时间重心来确定激光测距值。针对ICESat-2单光子激光雷达，以测距均方根误差（RMSE）和平均绝对误差（MAE）为性能指标，构建出一种综合考虑陆地地形、累积光斑数目和回波光子数等多因素对其测距误差影响的评估方法。同时，选取ICESat-2过境美国犹他州西瓦利城的某观测条带的随机地形数据进行验证分析。结果表明，所提出的激光测距值解算方法能够使该条带的测距RMSE值由114.25 cm降低到63.84 cm，MAE值由70.97 cm降低到48.52 cm，均优于ICESat-2数据产品提供的137.96 cm RMSE值和97.24 cm MAE值，这对提升单光子激光雷达在陆地区域的测距精度具有一定的借鉴作用。

星载光子计数激光雷达作为一种新的探测体制激光雷达，已开始应用于海面测量。然而受海风等多种因素的影响，海面存在一定的粗糙度和较大的起伏变化，因此光子计数激光雷达返回的信号点云在返回能量和信号光子分布上存在较大的变化，潜在的影响到了海面高程测量精度。本文基于JONSWAP海浪谱和微面元模型理论，结合蒙特卡洛方法建立了光子计数激光雷达海洋目标的仿真模型。以ICESat-2星载光子计数激光雷达的系统参数作为输入，仿真了不同风速条件下海面的信号光子分布，通过与ICESat-2实测结果对比证明了仿真方法的正确性。基于仿真模型，分析了不同风速条件下，光子计数激光雷达的测距误差分布。结果表明，光子计数激光雷达测得的海面高程小于实际参考海面，且测量偏差和标准差随风速增加而增大，当风速为10m/s，累计脉冲次数为100次时，测量偏差约为-2.5cm，标准差为3.6cm。所建立的仿真模型和分析结果对优化针对海面观测的星载光子计数激光雷达的系统参数设计和平均海面观测结果修正具有重要的参考意义。