无扫描激光成像雷达因其抛弃了机械扫描装置而具有高帧频、宽视场、体积小、可靠性高的优点，因此已经成为未来成像激光雷达发展的趋势。无扫描激光雷达研究的难点在于如何用面阵探测器去获得目标的距离像。一种实现途径是利用现有的比较成熟的器件，通过改进测距方式，间接地获取目标的距离像。增益调制激光三维成像就是我们在脉冲SRI激光三维成像基础上做了一定改进后形成的无扫描激光三维成像方法。本论文从理论和实验上对增益调制激光三维成像技术做初步的探索。研究了无扫描增益调制激光三维成像方法。采用窄脉冲固体激光器作为发射光源照明目标，具有单调时变增益的ICCD作为成像探测器。利用回波脉冲的飞行时间和其瞬时增益之间的一一映射关系解算出目标距离。将可用于测距的调制增益从正弦函数拓展到任意单调变化的函数，解算一幅距离像所需的强度像从四幅减少到两幅。从理论上推导了增益调制三维成像的距离方程，搭建了原理性实验系统，并在室内成功地获取到35m到41m距离上的目标距离像。首次提出了一种新的指数增益调制方式，这种增益调制下的距离精度和目标相对距离没有关系，而仅依赖于输出信噪比和指数增益调制的时间常数。推导出在任意单调变化的调制增益下，增益调制三维成像的距离精度方程。距离精度方程显示距离精度不仅依赖增益调制函数和增益调制函数导数的比值，而且和输出信噪比有关。设计了精准的室内实验对正弦、线性、指数三种增益调制函数下的系统距离精度进行了测量，实验结果较好地验证了理论推导出的精度公式。通过外场实验分别测试了系统在线性增益调制和指数增益调制下的距离精度。探索了一种使用回波脉冲飞行时间的概率密度函数对距离精度进行研究的方法。将两次成像的输入光电子数的比值作为输入量，分别计算了输入光电子数满足泊松分布和高斯分布时输入量的统计特征量和概率密度函数。分析了线性增益调制三维成像中调制增益对误差的放大作用以及调制增益的微分对误差的减小作用。计算了线性增益调制下飞行时间的概率密度函数，并且讨论了指数增益调制下飞行时间的概率密度函数随飞行时间、时间常数、以及信噪比的变化规律。计算结果可以很好地解释实验中距离精度的变化规律。研究了适用于增益调制激光三维像的图像滤波算法。针对增益调制三维距离像纹理区域较少和噪声空间分布不均匀的特点设计了筛选平均图像滤波算法和自适应均值漂移图像滤波算法。筛选平均图像滤波算法通过极点搜索对极值点进行筛选，然后将包络面的概念引入到三维图像中去平滑被筛除点。改进了用于图像分割的均值漂移算法，提出自适应均值滤波算法来对距离像进行降噪滤波。通过和其他算法比较，表明这两种算法都具有良好的保边去噪特性。