单光子激光雷达是一种先进的主动光电探测技术,能够充分利用探测器接收到的每一个光子信号,具有探测效率高、距离远、微弱信号探测能力强等优点。目标信号提取算法作为激光雷达的数据处理技术,可以获取目标距离、速度等有效信息,但现有的信号提取算法主要针对有准确轨道预报的目标,对于缺乏目标距离、速度及噪声等先验信息的未知场景不完全适用。因此,本文基于单光子激光雷达测距系统,以无先验信息的高速运动目标为主要研究对象,研究激光雷达数据处理技术,实现千公里级未知目标距离轨迹的实时提取。首先,深入研究了运动条件下接收光子的回波特性,分析得出目标信号强度随着探测距离和激光入射角度的增大迅速衰减,为了更加接近真实的测量环境,模拟了多种目标运动状态和探测概率,生成了信号丢失、抖动误差等不同条件下的激光雷达点云数据。针对典型场景下的高速运动目标,提出了基于标准Hough变换的距离轨迹提取算法,该算法利用目标回波点之间的时间相关性将直线检测算法引入回波信号的提取。提出的基于运动斜率的改进实时距离门有效降低了距离门内噪声,对于运动速度快的目标效果尤为明显;分析得出标准Hough变换中算法测距精度和计算量均随着参数空间分辨率的提高而提高。实验结果表明:在探测距离900 km,噪声强度0-6000 counts/s的范围内,对于速度5-12 km/s,加速度0-100 m/s2的运动目标,该算法可以实现典型场景下未知目标的距离轨迹实时提取,距离均方根误差优于2.72 m,对空间碎片实测目标可以达到同样的提取效果。针对具有一定运动加速度的拓展目标,提出了基于改进Hough变换和随机Hough变换的距离轨迹提取算法。通过对算法原理和计算参数的分析,探讨了两种算法的各自优缺点和适用场景,实验结果表明:两种算法的测距精度不受目标运动加速度的影响,均能适应加速度-500-500 m/s2的非匀速运动场景,距离均方根误差分别优于2.48 m和0.75 m。本文深入研究了单光子激光测距距离轨迹提取算法,提出的标准Hough变换算法能够准确实时地提取高速无精确预报目标的距离轨迹,具有抗噪性强,提取速度快等优点。改进Hough变换和随机Hough变换距离轨迹提取算法有效解决了非匀速运动场景下标准Hough变换算法距离误差较大的问题。本文的研究内容拓展了单光子激光测距系统的应用场景,为后续空间非合作目标的激光测距数据处理提供了新的途径。