盖革模式雪崩光电二极管（Geiger mode avalanche photodiode,GM-APD）具有单光子量级探测能力,大幅度降低了激光雷达（Light detection and ranging,Li DAR）体积和功耗,但该探测器易受背景噪声影响,使Li DAR全天候应用受限。针对该问题,本论文从Li DAR系统应用层面入手,建立了GM-APD Li DAR系统探测性能模型,研究了背景噪声抑制方法和散斑噪声抑制方法,通过自主研制的GM-APDLi DAR系统,验证了不同方法对探测性能提升的效果,为GM-APD Li DAR全天候应用提供理论和实验指导。本文将从以下四个内容展开研究:首先,将传统脉冲Li DAR距离方程与GM-APD触发机理相结合,得到了单光子Li DAR距离方程,分析了回波光子数和噪声光子数对触发特性影响,获得了最优触发概率的约束条件;通过蒙特卡罗仿真方法,获得了统计次数与信号回波波形完整度的制约关系;提出了系统平均测距误差和标准差模型,确定了提高测距性能的关键参数;使用双波长（532nm和1064nm）激光典型目标散射特性数据,拟合现有三种经典双向反射分布函数（BRDF）,结果表明拟合曲线与实际强度分布存在较大误差,需要改进散射模型。其次,目标散射特性是影响单光子回波检测概率的重要因素。一方面,将高斯函数形式的定向散射分量引入散射模型,提出了改进的Li-Liang BRDF模型,通过调节空间光场强度分布,减小了散射模型参数拟合误差,提高了回波光子数计算精度。另外一方面,将背景光引入散射模型,提出了改进型单光子Li DAR距离方程,实现了信号光子数和背景光子数准确计算;使用64×64 GM-APD Li DAR对白昼1km目标探测进行距离方程验证,结果表明:平均噪声光子数误差为4.6%,平均信号光子数误差为6.9%。此外,将改进的方程与Monte Carlo仿真方法、极大似然估计算法（MLE）相结合,建立了GM-APD Li DAR系统全天候探测模型,为分析强背景光条件下探测性能提供理论指导,分析表明:信号统计量和噪声强度是影响探测性能的重要因素。再次,为提高GM-APD Li DAR在强背景光条件下的探测性能,一方面,提出了基于空间相关法及自适应光学口径调节法（AAAD）结合的GM-APD Li DAR探测方案,AAAD通过调节口径寻优,可有效降低噪声强度,使回波触发概率最大;空间相关法利用邻域相似特性,在有限统计帧数约束条件下,提高单像素的测量次数,提高信号探测概率。在背景环境照度值为19000Lux条件下,完成了面阵GM-APD Li DAR室外实验验证,与传统方法相比:500m目标恢复率可被提高6.59倍。另外一方面,从收发光学偏振抑噪方法入手,推导了GM-APD Li DAR偏振探测理论模型,建立了一套偏振单光子Li DAR成像实验系统。将偏振探测与空间相关法、AAAD相结合,在背景环境照度值为21000Lux条件下,对800m目标进行成像实验验证,与非偏振直接探测方案相比:虚警率降低36.2%,触发概率提升171.1%,信号探测概率提高80.8%,目标恢复率达到96.9%。最后,为克服多模光纤（MMF）耦合输出光场散斑噪声对面阵GM-APD激光成像雷达探测性能的影响,采用了振动光纤的GM-APD激光成像散斑噪声抑制方法,并基于模式耦合理论提出了散斑噪声抑制理论模型,实现振动参数优选。将空间相关法与AAAD结合的方法引入散斑噪声抑制方法中,在背景环境照度值为20500Lux条件下,对300m强噪声目标进行实验验证,结果表明:散斑强度对比度由1.247降低到0.057,降低95.4%,目标恢复率从28.8%提升到97.7%,提高68.9%,进一步提高白昼探测性能。