在过去的几十年里,激光雷达广泛的应用在各个领域。激光雷达迅速的发展,体制不断的丰富,功能不断的增多,性能不断的提高,满足着各种应用背景的需求。但是激光雷达发展到今天,激光雷达的探测灵敏度由于传统强度器件的限制遇到了发展的瓶颈。Geiger Mode-Avalanche Photo Diode(Gm-APD)探测器是一种新型的光子探测器,它具有单光子响应灵敏度。它的出现为微弱光电信号探测带来了新的希望,很快应用到激光雷达领域,产生了光子激光雷达。光子激光雷达还具有测距精度高、功耗低、系统体积小、对激光器能量要求低、集成度高等多方面的优势,逐渐的引起了人们的关注。但是此前的研究都主要集中于光子激光雷达系统和体制方面的研究,对于光子激光雷达性能和功能研究比较少。这主要是由于Gm-APD探测器独特的0/1数字化概率响应模式,它不同于传统的强度探测器APD,CCD等,传统的处理方法难以借鉴。目前还没有完备的关于数字化概率信号处理的模型,缺乏这方面的理论研究,以至于光子激光雷达的功能和性能不能完全的体现。本论文从Gm-APD数字化概率响应特点入手,采用泊松概率分布描述其响应输出模型,根据数字化概率统计的方法建立光子激光雷达数字化概率信号统计处理的模型。利用该模型对三类典型的光子激光雷达系统进行了研究,在虚警概率抑制方面,信噪比提高方面,测距精度提高方面,强度信号获取方面均取得了突破性进展。在脉冲式光子激光雷达噪声虚警抑制方面的研究,针对Gm-APD容易被噪声触发而产生虚警的问题。根据Gm-APD泊松概率响应模型,研究了信号和噪声的响应情况,发现信号在Gm-APD数字化0/1概率响应后输出结果仍然保留一定的相关性,而噪声不具有相关性。根据信号和噪声相关性的差异,提出了相关性判断的方法进行噪声虚警的抑制。实验结果表明背景噪声产生的虚警得到了很好的抑制。这部分成果为光子激光雷达的全天时应用奠定了基础。针对光子激光雷达无法获取强度信息的问题,设计了复合调制脉冲编码序列的探测方法,不仅对脉冲的位置进行了调制而且还对脉冲的强度进行了调制。通过分析不同回波信号强度情况下Gm-APD探测器的触发概率,根据不同强度回波脉冲探测的成功概率建立了回波强度反演解算的方法。然后进一步分析了强度反演的影响因素,包括强度调制的等级数、脉冲序列的长度以及回波信号的强度。最后通过实验验证了复合调制脉冲编码序列探测的强度获取方法,并获得了精度优于1%的强度探测结果。在啁啾调制式光子激光雷达信噪比方面的研究,以Gm-APD探测器泊松概率响应模型为基础,建立了啁啾调制式光子激光雷达数字化概率信号后处理的理论模型,分析了啁啾调制式光子激光雷达信噪比的影响因素。一方面通过回波信号强度和信噪比变化关系的分析,获得了一个最佳回波信号强度使得接收机的信噪比最大,并设计可调孔径光阑进行最佳回波信号强度的调节,从而提高啁啾调制式光子激光雷达信噪比。另一方面通过推导了噪声造成的虚警概率理论表达式,发现虚警概率分布特点,信号强时虚警概率低、信号弱时虚警概率高。根据虚警概率分布特点使用滑窗获得信号的包络,然后使用阈值抑制波谷处的虚警,从而提高啁啾调制式光子激光雷达信噪比。当回波信号强度为每纳秒0.5个光电子时,实验结果表明信噪比提高了3.3 d B。针对啁啾调制式光子激光雷达探测精度方面的研究,根据啁啾调制式光子激光雷达数字化概率信号后处理的模型,分析了啁啾制式光子激光雷达探测精度的影响因素。发现其探测精度和信号的调制带宽成反比,由于混频方式的原因,信号调制带宽受到Gm-APD采样频率的限制,从而影响探测精度;除此之外,中频频谱间隔也造成了探测精度的限制。针对这两个因素,一方面设计了新型混频方式——前置混频,使用本振信号直接调制Gm-APD探测器采样门宽度完成和回波信号的混频过程,这种方式的最大优点就是突破了Gm-APD有限采样率对调制带宽的限制,可以使啁啾调制式光子激光雷达工作在更大调制带宽,从而有效提高探测精度。另一方面使用I/Q正交鉴相的方法提取了以前没有利用的相位信息,并通过巧妙的设计使得中频信息和相位信息能有效的结合起来,从而得到了更好的探测精度。仿真实验结果表明,当平均回波信号强度为-10.5 ns,平均噪声强度为-10.01 ns时,测距精度由1.47 m提高为14.3 cm。