三维成像激光雷达是一种用于精确、快速获取目标三维特征及空间信息的主动式雷达探测系统。其通过测量激光脉冲从发射到探测目标后返回雷达的飞行时间或者调制光信号相位频率变化来获得距离信息,再结合激光波束扫描或多波束探测获得垂直于光束方向平面内的方位信息,结合激光波束指向的空间立体角与测量距离,即可计算得到激光指向位置的三维坐标,通过对局部扫描区域的三维重建获得目标的三维图像。具有距离测量精度高、角度分辨率高、抗电磁干扰与杂波能力强、数据处理实时性突出等优势,是在复杂背景条件下对目标进行三维成像应用的最具发展潜力的探测手段[1-2]。随着多波束激光分束技术、阵列收发技术、阵列单光子探测技术的发展,激光器、探测器等组件的不断成熟,三维成像激光雷达技术逐渐从早期单点扫描体制,向线阵推扫体制,以及大规模阵列成像体制不断演进。以多波束并行收发、阵列单光子探测为特征的新一代三维成像激光雷达成像速度越来越快,具有更高的探测灵敏度。同时,采用这种新体制的激光三维成像系统,大量采用集成化的设计方法,进一步减小了系统的体积、重量、功耗,并且有效提升了系统的可靠性和实用性。论文基于机载三维成像激光雷达理论、体制、指标分析研究,仿真设计了一种多波束高重频微脉冲激光发射、阵列单光子探测的三维成像激光雷达系统,并研制了原理样机,并在地面与机载挂飞试验中对雷达性能进行了验证,可有效解决远距离、高分辨、高精度、高效率激光三维成像问题。本文的创新工作主要包括:（1）建立了以系统指标、目标特性、背景特性、平台指标等多要素为设计变量的机载多波束阵列探测三维成像激光雷达优化设计模型,包括空间几何模型、辐射测量模型与探测模型。在此基础上,通过计算机仿真分析系统探测性能及误差影响,为多波束阵列探测三维成像激光雷达的系统设计与参数优化提供理论依据。（2）创新提出了一种多波束阵列探测三维成像激光雷达系统的实现方法,该系统基于衍射器件实现多波束激光并行发射,基于像方远心镜头、阵列光纤、单光子阵列探测器实现多波束激光回波信号阵列接收。解决传统三维成像激光雷达作用距离较近、成像帧频较低的问题,并通过了样机地面试验与机载飞行试验验证。（3）提出了一种多波束激光雷达收发波束匹配方法,系统分析并仿真了多波束收发匹配过程中的误差来源以及与系统参数设计之间的关系,设计了64波束二维倾斜阵列光学收发系统并实现了收发匹配,实现了64波束优于10urad的高精度收发匹配。（4）提出并实现了一种基于FPGA的多通道飞行时间测量与校正方法,该方法利用FPGA内部进位链实现了64通道的光子飞行时间测量,并进行了在线校正,有效消除了由于器件温度变化造成的测时精度恶化,时差测量精度优于100ps。（5）提出并实现了一种基于密度与统计量的二维剖面光子点云处理算法,超低信噪比下实现目标信息的有效提取。解决了单一滤波方法普适性差、目标信息提取能力较差的问题,有效降低了运算量,并通过机载飞行试验验证了该方法对于不同场景与不同点云密度均具有良好的适应性。