结合毫米波雷达和双波长激光雷达对水云粒子进行微物理特性和光学特性建模，构建水云粒子有效半径与反射率因子-消光比、反射率因子-后向散射比的关系。通过假设参考高度处的云滴粒子有效半径和下一个距离门处的雷达比，以双波长反演的有效粒子半径和后向散射系数反演误差为约束条件得到边界值处的后向散射系数。进而，利用 Fernald后向积分方法反演水云天气下的气溶胶后向散射系数廓线。仿真结果与所提方法处理后的粒子有效半径一致性系数为0.98，与双波长后向散射系数的一致性系数均为0.81。实际处理结果表明，所提方法能够改善水云天气下气溶胶反演的连续性，得到相对准确的后向散射系数。

水平探测荧光激光雷达是观测大气有机气溶胶的有效工具，系统常数的标定是利用荧光回波信号反演有机气溶胶浓度的关键。提出了一种基于荧光-米回波信号强度比的水平探测荧光激光雷达系统常数标定方法。该方法利用水平探测的荧光-米回波强度比和粒子计数器定点测量的气溶胶浓度数据来获得激光雷达的系统常数，进而减小系统几何因子的影响。在仿真计算中，将所提方法与传统标定方法进行对比，验证了所提方法的精度与稳定性。最后，利用一台水平近场探测的荧光-米散射双通道激光雷达进行实际标定实验，验证了所提方法的可行性和有效性。结果表明，所提方法可以较好地减小几何因子对标定精度的影响，并具有更好的稳定性。

激光扩束系统可以扩大激光光束直径、压缩空间发散角，被广泛应用在激光测距、大气探测等领域。为了压缩激光扩束系统的外形尺寸，减小出射与入射光束之间的距离，设计了一种由多个共焦离轴抛物面镜组构成的多级反射式激光扩束系统。根据设计指标，计算了多级反射式激光扩束系统的系统参数，使用ZEMAX光学设计软件对单组扩束系统和两个多级扩束系统进行了仿真和公差分析，对比了单组扩束系统和多级扩束系统的尺寸和公差。结果表明，在比较宽松的公差范围内，多级扩束系统能够实现在更短距离上的高倍激光扩束。

基于激光雷达连续观测数据反演得到的多种气溶胶光学参数，包括气溶胶后向散射系数(355/532/1064nm)、消光系数(532/607nm)、退偏比(532p/532s)、激光雷达比(532nm)及波长指数(355/532nm和532/1064nm)，分析了2019年10月北京城区三种不同污染事件(空气污染/污染沙尘/纯沙尘)的气溶胶光学特性。结果表明，空气污染气溶胶退偏比(波长指数)为0.10±0.02(1.2±0.19)，激光雷达比(43±7sr)相比典型城市污染气溶胶偏低，可能与硝酸盐等水溶性气溶胶吸湿增长或二次有机气溶胶的生成有关; 污染沙尘退偏比(波长指数)为0.19±0.03(1.0±0.35)，激光雷达比为51±7sr; 纯沙尘相比前者退偏比(0.25±0.03)较大，波长指数(0.11±0.44)较小，激光雷达比为40±4sr。

荧光激光雷达技术作为长距离探测有机气溶胶的主要手段之一，常用于有机气溶胶的探测、预警、识别与追踪，为了尽早发现有机气溶胶防止危害，提高荧光激光雷达系统探测时间分辨率及预警速度具有重要意义。针对以上荧光激光雷达对高时间分辨率、响应快的需求，提出了一种数据采集系统设计方案，该系统基于生产者/消费者模式将激光雷达信号探测过程分为数据生产和数据消费两模块，结合软件多线程技术降低了两模块的耦合度，提高了两模块的并行度，有效地缩短了荧光激光雷达的探测周期。测试结果表明，当荧光激光雷达多脉冲累加采集周期为100ms，单次触发采样点数量为20000时，激光雷达探测时间分辨率的实际提升率达到40.51%，且与理论公式具有良好的一致性，该系统可以应用于荧光激光雷达的高时间分辨率数据采集。

激光雷达作为大气主动遥感探测的重要手段之一，被广泛用于气溶胶和云层探测。基于简单多尺度层检测算法，通过添加尺度个数阈值，提出了一种在时均可提高云底反演高度准确性的云检测算法。该算法通过仿真云层内部多峰时的回波信号，得到了最优化尺度个数阈值范围；同时通过添加特征段合并有效减少了单层多峰情况下的漏判。分别使用微分零交叉法、简单多尺度法和改进后的算法对532 nm米通道激光雷达在2019年5~7月探测的20组探测时长75 min以上、结构稳定、时序上无突变的有效数据进行检测，并以微分零交叉法的云底高度为准，通过改进算法得到的均方根误差平均减小32.65%，不确定度平均减小33.80%，验证了改进算法在提高云底高度准确度上的有效性。

空气质量问题已经成为目前最为关注的社会热点问题之一, 米散射激光雷达由于具有时间和空间分辨能力而被广泛应用于该问题的研究。针对国内首台自行研制的355nm激发波长的荧光-米偏振激光雷达系统完成了定标, 以有效提高气溶胶反演精度。定标包括对米偏振通道以及荧光通道和米通道的标定。用半波片法和分光片法设计了多组定标实验, 得到了对应的通道相关系数,消除了系统各通道之间的偏差。定标结果表明米偏振通道的相关系数平均值为1.01, 标准差不超过0.13, 荧光和米通道相关系数平均值为1.13, 标准差不超过0.04。

为了提高微弱荧光信号的探测能力, 获取高分辨光谱信息, 通过2套32通道光电倍增管（PMT）阵列, 结合激光诱导荧光技术, 搭建了64通道荧光光谱数据采集系统, 并使用LabVIEW对数据采集系统进行软件控制, 实现光谱数据的高速采集与处理。实验结果表明该采集系统光谱分辨率为4.69nm, 能够对微流控芯片内通过的单粒子样品溶液进行荧光光谱采集, 实现计数功能。

为了能在低信噪比情况下获得高精度矢量风速，采用非线性最优化理论中的序列二次规划(SQP)求解滤波正弦波拟合(FSWF)，实现了速度方位显示(VAD)算法中矢量风场的反演。基于模拟数据进行仿真实验，以反演结果的均方根误差作为评价指标，对比直接正弦波拟合(DSWF)和SQP-FSWF两种算法，结果表明在低信噪比条件下SQP-FSWF算法的反演效果优于DSWF算法。在FSWF计算中，基于风场反演结果的时空连续性，对比SQP算法和无约束最优化算法中的拟牛顿法，结果表明，SQP算法在低信噪比下效果更好。开展了激光雷达和探空气球的风场测量对比实验，获取了真实的激光雷达回波信号和同步探空气球数据，以进一步评估算法的可靠性。实验结果显示，SQP-FSWF算法得到的风速反演结果，同作为对比对象的探空气球的测量结果（水平风速、水平风向），两者间的相关系数分别为0.993和0.988，平均误差分别为0.2 m/s和3.28°，均方根误差分别为0.28 m/s和4.62°。对比分析反演结果的时空连续性发现，所提出方法在低信噪比下时空连续性更好，与模拟数据实验结果的效果表现一致。