上个世纪六十年代发展而来的激光测距技术以其精度高、距离远、速度快、安全性高等优势广泛应用于测绘、自动驾驶、导弹制导、交通管理等领域。近年来高速发展的光子计数激光测距技术更是具有功耗低、体积小、灵敏度高、数据处理简单等优势。　　光子计数激光测距系统通过激光飞行时间进行距离测量，高灵敏度的探测器（单光子探测器）和飞行时间记录仪器（时间数字转换器）是其中的两个关键部件。能够探测单光子量级微弱信号的单光子探测器有利于降低激光的单脉冲能量、减小接收回波的光学结构的尺寸，进而降低激光测距装置的功耗、体积，同时增大激光测距装置的测距距离。高精度的时间数字转换器能够准确记录激光飞行时间，提升激光测距仪的精度。本文从光子计数激光测距的两个关键部件入手，设计并实现了基于InGaAs(P)/InP APD的自由运转式单光子探测器和基于TDC-GPX的高速、高精度、八通道时间数字转换器，开展了光子计数激光测距实验验证，根据测距实验结果提出小型化的单光子探测器的优化方案，并完成模块的研制。　　采用专用时间数字转换芯片TDC-GPX配合USB3.0主控芯片CYUSB3014设计实现高速、高精度、八通道时间数字转换器。设计使用USB3.0通信协议，极大地提升了设计的通信速度。设计使用USB3.0的通用可编程Ⅱ接口直接与TDC-GPX通信，无需使用FPGA做通信桥梁，降低设计复杂度，降低了成本，提高了稳定性和可靠性。设计使用USB3.0直接供电，即插即用。设计通过提高TDC-GPX的内核电压，提高了TDC-GPX的精度。最终时间数字转换器性能如下:八通道转换精度75ps，双通道转换精度25ps，最大持续时间数字转换速度40Mcps，突发转换速度182Mcps，支持时间数字信息的点云图实时刷新和柱状图实时统计、刷新。　　设计采用高速射频放大器、高速比较器、高速D触发器、单稳态电路和电平转换器设计了PCB板级主动猝灭电路，并结合InGaAs(P)/InP APD完成了自由运转式近红外单光子探测器。设计采用双端猝灭方式将雪崩猝灭时间减少到1.02ns，优于国际上同期报道的研究结果。其性能测试结果表明，在223K工作温度，探测效率为10％，死时间为1μs条件下，单光子探测器暗计数率约640Hz，后脉冲概率为39％。　　利用设计的自由运转式InGaAs(P)/InP SPD和高速、高精度、八通道时间数字转换器进行光子计数激光测距实验，并与Excelitas公司生产的SPCM-AQRH-13-FC近红外增强型Si-SPD为对比探测器完成测距对比实验。完成150m、275m、1.1km的激光测距实验。对比实验显示:自主设计的InGaAs(P)/InP SPD相比于商用Si-SPD拥有更高的信噪比，在相同激光能量的条件下能够探测更远的距离。根据测距实验结果提出并设计小型化的单光子探测器装置。改进集成制冷封和热设计，大大的降低了装置的制冷功耗。改进主动猝灭电路在提升单光子探测器性能的同时，简化了电路设计。改进光子收集方式，采用多模光纤-光纤耦合透镜-APD感光面的光子收集结构使小型化单光子探测器更符合激光测距应用的要求。最终实现自由运转工作的小型化单光探测器模块。