由于具有探测效率高、响应速度快和面积小等突出优点,单光子雪崩二极管（SPAD）与动态范围大、抗干扰能力强的直接光子飞行时间技术（DTOF）相得益彰,在激光雷达（Li DAR）、三维成像等领域展现出了广泛的应用前景。近年来,随着无人驾驶的深入应用,要求基于SPAD的Li DAR系统具备探测距离远、时间分辨率高、噪声抑制能力强等特点。因此针对远距离探测中光子回波信号能量较低、测量距离与时间分辨率相互制约及环境光噪声水平较高等问题,本文进行了以下的研究并提出了相应的解决方案:（1）针对光子回波信号能量低,研究并设计了一种高性能SPAD器件。首先基于180-nm BCD工艺设计了一种阴极共享型的新型SPAD结构,利用P阱和高压N阱构成雪崩区,轻掺杂P型外延层作为器件的保护环,相邻器件之间共享阴极。然后通过计算机辅助设计（TCAD）仿真和模型计算发现,得益于雪崩区的强电场和高碰撞电离率,所设计的SPAD器件在宽光谱范围内实现了高光子探测效率（PDE）,PDE峰值在450 nm波长处高达45%。虚拟保护环结构有利于器件尺寸的缩小,有源区直径为4μm时,保护环区域的电场强度依然很低,保证了边缘及表面击穿概率较低的同时,降低了器件整体的暗计数率（DCR）,SPAD工作在3 V过偏压时,室温下的DCR仅为3.8 k Hz。最后,进一步与国际先进成果进行对比,彰显了所设计的新型SPAD在成本、PDE、DCR等方面的优越性,并且阴极共享结构显著提高了填充因子,为远距探测提供了一种有前途的解决方案。（2）针对测量距离与时间分辨率的矛盾,研究并设计了一种光子飞行时间（TOF）测量电路。采用三段式的时间-数字转换电路（TDC）,低段对基准时钟进行相位细分辨,实现了分数倍时钟周期的分辨率。高段采用线性反馈移位寄存器（LFSR）结构的计数器,兼具同步计数器和移存型计数器的特点,有利于拓展量程的同时便于转换结果的串行输出。中间段通过异步计数器实现衔接,最终所设计的TDC测量距离超过20 m并且时间分辨率仅为78.125 ps。考虑到TDC的性能与时钟基准息息相关,因此设计了一种三阶II型电荷泵锁相环（CPPLL）,通过压控振荡器（VCO）和电荷泵（CP）等关键模块的优化设计,可以产生1.6 Ghz、50%占空比、分相均匀的八相时钟,整体的RMS抖动仅为17.6 ps。（3）针对环境光噪声水平高,研究并设计了一种片内噪声抑制方案。首先在器件级,通过多晶硅场板的淀积,调制了保护环区域的电场,有效降低了SPAD器件暗噪声的影响。然后在像素级利用光子事件检测电路,与根据不同环境光噪声强度设定的检测阈值比较,判别每次雪崩响应的触发来源,仅对回波光子信号进行后续TDC转换,实现噪声与光子信号的区分。最后在阵列级,片内集成直方图算法,提取TDC输出的峰值,根据光子信号的强时间相关性,滤除随机分布的噪声导致的TOF转换结果,进一步提高了探测器的噪声抑制能力。最终,综合使用三种方法,在器件级、像素级和阵列级逐级削弱噪声的影响,增强了探测结果的可靠性和准确性。