本发明公开了一种基于激光纵向层析图像序列的目标图像恢复方法，对目标和大气介质成像进行预处理，包括减去背景噪声，截取并缩放目标和大气介质光斑窗口；将预处理后的大气介质图作为输入图像，使用全变分模型进行去噪，获得去噪介质层图，将介质层图像归一化处理后获得估计的退化矩阵；将预处理后的目标图像作为初始输入图像，用估计的退化矩阵作为输入的退化矩阵，代入全变分模型，求解得到的最优解即为恢复图像。本发明平滑了目标噪声，成功消除了不均匀模糊覆盖，有效抑制激光束非均匀和大气路径非均匀的影响；恢复图像更符合目标反射率分布，有效消除了激光束非均匀性和大气路径的光学非均匀性影响，证明是可行有效的。