单光子激光雷达是融合了单光子探测技术、脉冲激光技术、电子工程和信号处理等学科的新兴交叉技术,以其具有测距精度高、抗干扰能力强、作用距离远等特点,单光子激光雷达已被广泛应用于遥感探测、武器制导、地形测绘、城市建模等军用和民用领域。随着科技发展,各项应用对单光子激光雷达的探测距离和成像质量提出了挑战。在远距离成像背景噪声较大时,当前传统的成像方法需要对单个像素进行长时间的积分才能准确估计深度信息,获得高质量的图像。但在实际应用中系统成像的积分时间往往会受到限制,导致信号光子数量太少而被噪声淹没,深度估计和成像质量受到严重影响。针对该问题,本文展开了单光子激光雷达远距离成像的深度估计和图像重建方法研究。本文构建了远距离扫描单光子激光雷达原理样机,实现了远距离三维探测成像。为了研究限制后向散射的方法,使用探测器门控进行了成像实验,并量化分析了探测器的自由运行模式和门控模式的成像差异。实验证明,门控模式相对自由运行模式,信号强度高了3.3倍。为了适应高噪声背景和快速成像的需求,基于原理样机采集的数据提出了时间相关卡尔曼深度估计方法,利用光子飞行时间相关性构建光子计数集,并使用自适应卡尔曼滤波器进行深度估计,为之后的图像重建提供深度图。实验表明,与传统的最大似然估计相比,本文的估深度估计均方根误差提升了约40%。对于上述深度估计图像中存在的一些信息缺失和信息差异较大的像素,通过计算邻域离散程度检测这些像素,计算以强度图像的梯度作为依据构建深度图中的超像素并重置其深度信息;最后,基于激光雷达光子计数的泊松分布构造了强度信息先验的凸优化问题并进行求解,完成了图像的重建。实验结果表明,重建图像大幅降低了图像噪声,平滑了深度图像的同时保留边缘信息,也成功重建了部分被破坏的图像细节。