硅光电倍增管（Silicon Photomultiplier，SiPM）具有极高的探测灵敏度和响应速度，且在多光子条件下具有较高的动态范围以及线性响应的特性，在光子计数激光雷达应用中有独特的优势。然而，由于SiPM多像元、单时间通道的工作模式，其输出电压信号相较于其他单光子探测器更大概率出现脉冲堆叠现象，不同鉴别阈值条件下的SiPM探测过程更为复杂。针对该问题，本文建立了SiPM光子事件响应模型，以此为基础分析了由脉冲堆叠引发的屏蔽效应和触发效应两种特殊情况的时域分布，最终建立了SiPM半解析的探测概率与虚警概率模型。同时，搭建了基于SiPM探测器的光子计数雷达系统，通过观察实测输出电压波形以及光子点云分布与理论模型相符（R²>0.95）。通过查全率与查准率对不同鉴别阈值的SiPM光子点云分布进行定量评价，并给出最优鉴别阈值区间，这对基于SiPM的光子计数激光雷达系统硬件参数的优化设计以及探测性能的定量分析具有重要的指导意义。

美国NASA于2018年发射的ICESat-2 (The Ice, Cloud, and land Elevation Satellite-2)卫星上搭载的ATLAS （Advanced Topographic Laser Altimeter System）是目前为止全球唯一一个对地观测的星载光子计数激光雷达，具有较高的轨向空间采样率，为用遥感的方法探测海浪要素提供了可能。光子计数激光雷达用于海浪探测的前提是能够准确地提取来自海面的信号光子，并确定瞬时的海面廓线。迄今为止，用星载光子计数激光雷达探测海面形态和海浪要素的研究鲜见报道，也缺少专门针对海面信号光子的提取方法。基于海面信号光子的分布特点，文中提出了一种新的信号提取算法：首先通过直方图统计及自适应的阈值选取完成对海面回波光子的粗去噪；然后基于激光雷达光斑尺寸和海面波动特点，选取合适的搜索邻域计算信号点和噪声点密度，根据两者点密度差异对信号光子和噪声光子分类；最后用高斯函数拟合的方法进一步去除密度较大的后向散射噪声光子，最终得到来自海面反射的信号光子。利用上述算法提取了太平洋7个不同海况区域的海面信号光子和瞬时海面廓线并进一步计算出当地海浪的峰值波长和周期。将计算结果与同期欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF)的全球大气再分析ERA5(ECMWF Re-Analysis5)数据作对比，在不同风速、水深的海域都获得了基本一致的结果，超过半数区域的海浪周期误差在5%以内，初步证明了星载光子计数激光雷达观测成果用于海浪要素计算的可行性。

光电倍增管（Photomultiplier Tubes，PMT）具有光子级别的灵敏度，而且没有物理意义上的死区时间，在光子计数雷达应用中有独有的优势，但PMT响应单光子输出脉冲高度呈高斯随机分布，且不同脉冲之间还有可能产生堆叠，传统的单光子模型不能准确描述PMT的光子探测过程。针对PMT输出脉冲高度随机分布，脉冲堆叠现象和光子事件鉴别阈值的设置对光子事件探测概率的影响提出了一个新的PMT光子探测模型，并根据实际应用场景进行了简化，通过蒙特卡洛仿真验证了简化模型的适用性。搭建了光子计数雷达系统，通过和盖革模式APD进行实验对比，发现PMT光子探测模型虽然有略微的探测概率损失，但在测距应用中具有更小行走误差和更高测距精确度。实验也证明了新模型相比于传统单光子探测模型更符合PMT的光子事件探测概率分布，新模型对基于PMT光子计数雷达的系统设计和理论分析具有重要的指导意义。

提出了一种基于波形匹配的激光脚点定位方法，该方法以机载激光雷达点云数据作为参考，通过对观测弧段内激光脚点的单点波形匹配和系列脚点相关系数联合处理的方式，精确计算激光指向和距离信息，实现了对高分七号卫星激光脚点在起伏山区的精确定位。使用美国犹他州山地区域的机载激光雷达点云作为当地实测现场数据，对基于论文方法高分七号星载激光测高仪的精确定位数据进行了实验验证。在平均坡度达到20°的犹他州实验区域，观测弧段内高分七号激光脚点高程精度从精确定位前的（2.45±2.93）m提升至（0.27±0.61）m。试验结果表明，该方法可以有效提升高分七号星载激光测高仪观测成果在起伏山区的精度。

在浅水测深技术中，星载激光测量系统可以覆盖一些机载/舰载系统难以到达的偏远水域，具有比被动光学影像水深测量精度更高、可全天时工作等独特的优势。以稀疏而少量的主动星载激光测量值为水深标定点，融合被动星载遥感影像，主被动融合的浅水测深是当前的趋势。本文首先介绍了星载单光子激光雷达的工作范围、物理参数和数据产品，概述了测量原理，综述了现有的星载单光子激光雷达测深的理论传输模型，对比了不同的点云数据去噪处理算法的优劣，归纳了星载融合测深反演技术在不同环境中的应用，总结了当前存在的问题，并对该技术未来的前景和发展方向进行了展望。

基于光子晶体光纤的色散设计，制备了零色散点位于880 nm、泵浦波长处非线性系数为33.67 km^-1·W^-1的实芯光子晶体光纤。使用1 030 nm，150 fs的超快光源，研究了在不同泵浦功率和不同光纤长度下，从可见光至近红外区的超连续谱的产生过程。在1 320 mW的平均泵浦功率下，使用1.5 m长的光子晶体光纤，实现了从450 nm到1 900 nm的宽带超连续谱输出。光谱具有较好的平坦度和相干性。这类宽带超连续光源在光学相干层析成像、光谱学、通信、早期癌症检测和食品质量监测等领域具有应用价值。

星模拟器是为模拟真实的恒星物理特性而设计的，由于不同恒星的色温和星等不同，为了更真实地模拟恒星，需要星光光源模拟系统能够实现色温和星等大范围高精度可调。该系统由积分球、光源模块、控制模块以及光纤光谱仪构成闭环光源模拟系统。为保证出射光的均匀度，采用了溴钨灯和多种单色LED混光作为光源，用恒流驱动方式控制LED的输出亮度。引入量子行为粒子群算法作为光谱匹配算法，求解LED系数a_i。随着迭代次数的增加，适应度函数的值达到最小，则色温和星等的模拟误差变小。经实验验证：实现了色温3 000、4 300、5 500、6 500、7 600、20 000 K的模拟，色温匹配误差优于±10%；模拟星等+2~+8.5 Mi可调，星等匹配误差优于±6%。

针对小范围热源温度探测的需求，在线制备了密集切趾的光纤光栅阵列，采用光波长时域反射解调技术和光时域分段解调技术对切趾光栅阵列传感网络信号进行解调，实现了对小范围热源温度变化的精确测量。模拟了高斯切趾光栅的旁瓣抑制效果，结果显示高斯系数G=4时，可获得较好的谱型和较高的旁瓣抑制比。采用在线光栅阵列制备系统制备了旁瓣抑制比为20.74 dB的密集切趾光栅阵列，温度实验结果显示，传感网络的时域分段精度可达1 m，空间分辨率可达10 cm，温度灵敏度为10.15 pm/℃。该系统可应用于电缆廊道、地铁等环境下的小范围热源温度探测。