激光雷达三维成像是利用激光雷达系统结合扫描或者阵列装置对现实场景进行三维重建的常用技术,具有空间分辨率高,可实现簇叶下目标成像的特点,日趋用于遮蔽目标的探测。在此背景下,本论文针对激光雷达的上述应用,提出基于指数函数拟合系统波形的回波信号分解方法（Exponential Decomposition,ED）,旨在有效提高遮蔽目标的信息提取能力及定位精度。在资料调研的基础上,论文概述了激光雷达测距与三维成像的基本原理,梳理了激光雷达波形处理问题的研究现状,引入解卷积方法为激光回波波形分解提供精确的回波个数估计,通过仿真计算分析比较了几种常用波形解卷积方法获取回波个数的准确性,发现L1正则方法波形解卷积最适用于确定激光回波分解中的波形个数。针对现有波形分解方法无法处理带负尾回波问题,提出了基于指数函数拟合系统波形的激光回波信号分解方法,结合L1正则方法波形解卷积确定波形个数,在MATLAB软件环境下编写了波形分解程序。在实验上,基于数字化全波形采集技术建立了激光雷达扫描成像实验系统,进行了多目标测距实验和簇叶下目标的三维成像实验。运用本文提出的基于指数函数拟合系统波形的激光回波信号分解方法和程序对多目标测距的激光回波波形进行处理确定多目标的距离,与传统的高斯分解算法、对数正态分解算法和广义正态分解算法相比,多目标距离分辨精度可以提高15%,50%和36%。在此基础上,还对簇叶下目标三维成像的激光波形信号进行分解,并利用Mean Shift方法提取了簇叶下目标的三维轮廓图像,与传统的高斯分解算法、对数正态分解算法和广义正态分解算法的处理结果进行了比照,结果表明,本文所提方法能很好地恢复出树叶遮蔽下的目标箱子、具有更少的杂散点以及更强的适用性。