激光雷达技术可以通过使用具有空间分辨能力的阵列探测器对成像光斑的中心定位，从而获取目标的偏移量进行目标跟踪。这种技术凭借较快的响应速度和较高的角分辨能力，被广泛地应用在激光通信、激光制导和交会对接中。然而随着激光雷达技术的发展，人们对跟踪距离的要求也越来越高。为了解决这一个问题，一些研究学者广泛采用信标光捕获方案。但是信标光捕获方案要求捕获对象是合作目标，这也是该方法的限制之一。另一些研究学者选择采用提高激光束功率的方案。这种方案的限制是重频低、功耗较大和应用场景有限。因此，怎样有效地捕获和跟踪远距离非合作目标成为了一个亟待解决的问题。

为了解决这一问题，本文将单像素探测引入到捕获跟踪系统中。以前使用阵列探测器来定位回波光斑的中心时，需要将系统接收的回波功率分布到多个探测像元上，所以每个探测像元上的回波功率较低。而在回波功率相同的条件下，使用单像素探测时，所有的回波功率可以集中在一个探测像元上，单个探测像元上的回波功率更高，所以在回波功率相同的条件下，单像素探测器的探测距离高于阵列探测器的探测距离。然而由于单像素探测不具有空间分辨能力，传统的捕获跟踪方案并不适用。所以针对这种缺陷，本文设计了一套基于单像素探测的激光跟踪系统。这种激光跟踪系统是通过光束扫描装置使光束螺旋扫描搜索视场，同时综合单像素探测的距离信息和光束扫描装置反馈的角度信息来识别目标的位置。然后光束再以目标位置为扫描中心，进行下一轮螺旋扫描，循环此过程从而实现对目标的跟踪。这种技术的特点在于以单像素探测提供的距离信息，结合光束扫描装置反馈的角度信息，识别目标的位置。对比使用CCD探测器进行捕获跟踪，该技术可以直接获取三维图像。它可以规避了阵列探测器死区的干扰，不需要匹配激光测距光轴和成像光轴，且能够通过使用单光子探测器来提高跟踪距离。

本文首先介绍了常用的单光子探测器，说明了硅光电倍增管（SiPM）的优势，阐述了SiPM虽然由APD阵列构成，但不具备空间分辨能力，仍然是一种基于单像素探测的探测器。随后推导了激光雷达方程，之后建立了飞行目标和螺旋扫描的捕获模型，研究了扫描速度对捕获概率的影响，然后搭建了一套扫描跟踪系统，最后用系统进行了移动目标的捕获跟踪实验，验证了基于单像素探测的激光跟踪技术的可行性。