远距离激光雷达具有广泛的应用,包括三维遥感,星载测绘,机载监视,地空探测,远距离目标跟踪和识别等。远距离激光雷达不断向更小、更轻、功率更低的方向发展。随着技术的发展,传统光电探测器的探测极限已经成为传统激光雷达的发展瓶颈。而近几十年,量子技术蓬勃发展,基于量子技术的新技术更是不断涌现,人们通过量子技术的手段突破原来传统技术的极限。量子技术也给传统激光雷达带来了新的技术,诞生了单光子激光雷达。单光子激光雷达提供了单光子灵敏度和皮秒时间分辨率,打破了传统激光雷达只能通过增大激光功率和增大望远镜口径来提高探测信号强度、信噪比和探测距离的技术禁锢,也提升了激光雷达的精度。然而,尽管近些年来单光子激光雷达获得了快速的发展,但是在远距离应用依然存在巨大的挑战。一方面远距离带来光束和视场的扩展限制了横向分辨率,制约了成像效果,严重影响了探测和识别能力。另一方面,当成像距离拓展到数十公里、百公里的时候,由于巨大衰减的存在,返回的回波极为微弱并被淹没在强噪声之中。针对远距离单光子成像面临的挑战,本论文在阐述远距离激光雷达探测模型、自由空间光学技术、综合噪声抑制手段、单光子探测技术和时间相关单光子计数技术的基础上,提出了搭建远距离高分辨单光子激光雷达的设计方案并进行了研究和详细分析。在设计中我们发展了光束发射和视场精确控制、二阶精细视场扫描、偏振降噪等能有效提升性能的技术手段,最终自主研制了一个高效、低噪声的同轴扫描单光子激光雷达系统样机。对于远距离激光雷达由于光斑和视场的扩展造成了横向分辨率不足的问题,我们原创性地发展了亚像素精密扫描配合考虑光斑和视场扩展的卷积精确模型的方法,有效提高了单光子成像系统的分辨率,突破了系统本身的系统分辨率,通过实验的验证,我们实现了 8.2公里的超分辨全天时三维成像。拓展成像距离方面,我们发展的高效率的同轴扫描成像系统,能有效地收集极弱的探测回波光子,并采用综合的滤波手段显著抑制系统背景噪声。同时我们开发了一种独创的高效计算图像算法,为低光子计数的远距离成像数据提供高分辨率、高光子效率(～1信号光子每像素)与高背景噪声(信号光与背景光强度比～1/30)的重构。通过软硬件的配合,我们实现了城市大气环境下的45公里远距离主动三维成像。并且通过系统的改进和发展新的极低噪声单光子探测方法,最终创造了最远达202公里的单光子三维成像记录,比之前国际上有文献报道的最远单光子三维成像距离提高了一个量级。