激光3D成像技术具有隐蔽性好、获取目标图像信息丰富(如距离、强度、距离-角度)等优点,在军事侦察、地形测绘、机器视觉等诸多领域有着广泛的应用前景。本文完成了基于激光脉冲飞行时间的单像素扫描成像的理论研究和原型机研制工作,成功地获取了激光3D图像。主要研究内容如下：本文首先研究了系统内涉及到影响功率探测能力的因素和相关理论,包括激光信号的大气传输、目标反射、背景光辐射干扰和光电检测等各个阶段。根据激光脉冲含时散射截面的时空特性,提出一种研究脉冲反射引入附加功率衰减的理论方法,利用该技术导出了新的激光雷达测距方程,使得脉冲光反射和连续光反射两种情况下的数值分析具有了统一的表达形式,从而为使用脉冲作为探测信号的光电系统提供了新的设计依据。通过研究激光在大气传输中功率衰减和探测背景光功率主要来源,给出了接收光电探测器信号及噪声的产生原因,结合信噪比规律获得了最佳反向偏压。借助调Q脉冲的产生理论,采用简化二能级激光模型,数值仿真了激光脉冲输出波形；通过对跨阻放大电路的增益频响特性分析,给出了脉冲在光电转换过程中的带宽设计方案；研究了提高测量精度的方法,并在搭建的测试平台上完成了两种测量器件的时间间隔测量性能测试；就恒比定时电路中的几种延时方案和压缩时间走离的性能等进行了大量的试验,最终获得了理想的恒比定时器。在系统探测方向的控制方面,对于接收视场,通过研究非同轴的双站式系统的光路结构,提出了固定大视场离焦面接收聚焦的放置位置、透镜选择和能量损失的计算方法,设计了一种用于正交双振镜扫描体制的非同轴同步扫描光机结构,并给出双站间距影响下的瞬时接收视场角约束条件；对于发射视场,通过对双振镜系统的数学建模,理论研究了误差的产生过程,并探索了实际操作中的失真校正方法。在远程大光斑的情况下,为研究激光雷达的脉冲反射形变带来的时刻判定误差,本文在含时激光散射截面的基础上,研究了激光脉冲在反射过程中产生的波形畸变,给出了倾斜平面对Gauss模型和Gamma模型两种脉冲的反射波形解析解。研究了脉冲反射波形展宽引入的单像素时间测量误差,进而解释了由此积累的三维成像失真的原因。通过分析失真的主要因素,提出了一种基于探测图像斜率的补偿算法,并进行了数值计算,结果表明：经过三次补偿后成像目标的高度分布能够恢复到与真实值一致。研究了模型重建过程中所涉及到的坐标映射问题,针对非同轴双站式光路结构,确立了模型重建中的坐标变换与三维旋转操作的实现方法。在此基础上,最终实现了三维模型的可视化显示和操作。本文综合上述各部分研究之结果,研制成功了单像素扫描式激光3D成像原型机,此种3D激光雷达在国内未见报道。其主要技术指标如下：无聚焦探测距离36m、误差小于0.2m、距离分辨率7cm、横向分辨率1.5mrad、成像视场角士5°、时间测量均方差小于340ps。该原型机已用于目标发射特性测试研究。