空间自主导航是计算和控制航天器飞行轨迹的过程,使其达到预定的目标,主要依赖于自身携带的高精度传感器系统所实时提供的目标相对位置和姿态信息。激光雷达是其中的一种传感器,具有分辨率高、体积小、精度高等优点,结合计算机视觉技术,可以在大范围内实现对动态目标的相对位置、速度、方位角以及相对角速度的测量,成为空间自主导航系统的重要组成部分。激光雷达是以激光测距技术为基础,通过将激光足印覆盖目标表面时,获取的所有激光光斑对应的角度-角度-距离等信息进行反演与融合,从而实现三维成像。对应用在空间自主导航中的激光雷达而言,为了减小由于相对运动所引起的图像畸变与失真,对单次成像速率以及图像分辨率提出了极高的要求。而激光雷达的成像速率主要取决于激光足印完全覆盖目标表面所占用的时间,单元扫描型激光雷达使用单束激光发射,覆盖目标表面时间较久,因而成像速率较慢。大面阵凝视型激光雷达虽然单次激光发射便可将目标完全覆盖,但其分辨率有限。而采用多束激光并扫的方式,则能够在达到高分辨率的同时,大幅度降低扫描成像时间,满足高分辨率、大视场、快速成像的应用需求。然而随着激光波束增加,激光雷达系统功耗和体积也将相应地增加,相同激光发射能量下,作用距离将大幅度缩减。虽然近几年新兴的光子计数三维成像雷达可减小系统功耗,但由于单光子探测器难以区分噪声和信号回波,光子计数体制下的激光雷达还存在滤波去噪、实时处理等难题,在空间自主导航上同样难以使用。本论文的意义在于提出一种少光子灵敏度探测与多波束扫描相结合的工作模式,设计了64波束高精度扫描型激光雷达原理样机,在降低对激光器能量需求的同时不需要对点云数据做滤波去噪处理,满足了空间自主导航高分辨率、大视场、快速扫描成像的性能要求。论文的主要内容和创新点可归纳如下:(1)提出了工作在少光子灵敏度条件下的新型探测器激光测距方法,分析了少光子测距原理,并结合激光雷达方程建立了少光子响应模型,构建了基于多波束快速扫描(成像时间100ms)、大视场(20°×20°)、高分辨率(512 pixels×512pixels)成像激光雷达的系统设计理论框架。(2)针对目标高精度三维成像的应用需求,对多波束少光子工作模式下响应的特殊性进行时间轴上的建模与分析,研究了激光测距各项误差的来源,给出了多波束少光子探测激光雷达的设计方案。(3)搭建了多波束扫描激光雷达原理样机,实验验证了少光子高精度激光雷达的可行性,测距精度达到1cm;多波束激光雷达样机的三维点云平面厚度优于5cm,能够有效地识别目标的边界;对于静态目标其相对姿态解算精度优于2°,对25°/s转速以内的动态目标,转速测量误差优于2°/s。