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时间相关单光子计数技术是一种微弱光的探测技术，并不是像模拟记录方式以输出的电压大小来反映光强，而是以记录光子的个数来衡量光强。该技术具有光子级别的探测精度和皮秒量级的时间分辨率，这项技术广泛应用于激光雷达、生物光子成像等领域，因此基于时间相关单光子计数的激光成像技术的研究具有实用意义。 本文介绍了时间相关单光子计数技术、激光成像技术的背景、应用和发展，之后对这两种技术的原理以及传统成像系统的性能做了简要分析。在此基础上，研究了基于时间相关单光子计数的成像系统以及系统性能。该成像系统的最大工作距离取决于出射光强、传输介质损耗和接收孔径的大小，其中最主要的影响因素为出射光强；成像的纵向分辨精度只取决于整个系统的时间抖动，系统的时间抖动主要由脉冲宽度、探测器时间抖动和电路控制时间的抖动组成部分。根据接收系统和发射系统的结构，设计并且搭建了收发共路和收发不共路两种成像系统，同时理论分析了这两种系统的特点：收发不共路系统结构简单，接收视场大，收集光子的能力强，但是信噪比比较低；收发共路系统的结构复杂，光路内部存在一个内部反射，需要另加一个延时器来消除该影响，收集光子能力弱，但是信噪比高，可以在光照环境下有效成像。 本文采用成像系统进行了测距和成像实验。测距实验中对物体分辨精度的测试，表明分辨精度250ps，即为加上电路控制时间抖动之后整个系统的实际分辨精度。对68 m处的目标进行40次测距，得到的测距结果的精度为毫米量级；成像实验通过定量分析实验反射率图像的峰值信噪比和距离图像的平均绝对误差，发现这收发不共路和收发共路系统都是累积光子进行成像，并且光子数的累积以长时间的扫描为代价。两种系统成像对比的结果表明：收发共路系统更具有实际应用性。针对收发共路系统扫描时间长的缺点，提出了一种新的成像系统——首光子成像系统，该系统只需要记录每个像素点上接收到第一个光子之前发射的脉冲数目，以及接收的光子的飞行时间即可得到目标成像。 为了提高成像的质量，对于传统成像系统（收发不共路、收发共路成像系统）和首光子成像系统，分析了成像噪声，采用中值滤波算法和稀疏泊松分布重构算法处理图像，图像质量的定量分析表明：采用中值滤波算法，首光子系统的图像质量高于传统成像系统的图像质量；对于首光子系统的图像处理，稀疏泊松分布重构算法比中值滤波算法更有效。