目前的三维成像激光雷达通常采用线性雪崩光电二极管探测器接收目标回波，其灵敏度往往在数百光子以上，对于直接探测三维成像激光雷达，采用工作于光子计数模式的单光子探测器可以响应单光子水平的目标回波，从而大大提高探测效率。本文研究的光子计数三维成像激光雷达采用工作于门控盖革模式的单光子雪崩光电二极管作为探测器。首先分析了这种探测器的工作模式，并重点讨论了与目标回波探测有关的探测器死时间，暗计数等重要参数。接着分析了基于这种探测器的激光雷达的回波光子探测模型，并根据此模型讨论了激光雷达探测概率和虚警概率。分析表明，影响激光雷达系统设计的主要因素是探测器死时间和背景光暗计数。在理论分析的基础上，设计了一套基于单光子雪崩光电二极管的三维成像激光雷达原型系统。该原型系统遵循了窄光谱(1nm)、窄视场(100urad)的原则，从而有效地抑制了背景光暗计数的干扰。本原型系统被用来对一些选定场景进行了一系列的测距和三维成像实验。实验结果表明，由于探测器具有很高的灵敏度，激光雷达系统作用距离得到很大扩展。