在光子计数模式的激光雷达应用中,回波信号的动态范围大。激光雷达的远场回波信号处于探测器的线性输出区间,无需进行校准;近场信号基本处于探测器的非线性响应区,需要进行校准。为了提高远场信号的信噪比,提出了一种校准方法。依据脉冲激光雷达方程,使用远场信号反演得到修正的近场信号,并与接收的回波信号作比较,得到校准因子。进一步使用校准因子修正前后的数据分别反演了能见度,并与能见度仪的探测结果作比较。结果显示:对于未修正的数据,远场信号反演与能见度仪得到的能见度平均偏差和标准差分别为0.57 km和1.89 km,而近场信号的平均偏差大于10 km。由修正后的数据得到的能见度与能见度仪的结果符合得很好,平均偏差和标准差分别为0.43 km和0.76 km。

相干测风激光雷达具有风场测量精度高、高时空分辨率、探测范围广等突出优点, 已广泛应用于风切变探测、飞机尾流探测、风力发电和大气湍流探测等方面。如何从大气回波信号中提取微弱的多普勒频移信息是激光雷达信号处理的难点。基于大气分层模型仿真生成相干激光雷达大气回波信号, 对模拟回波信号应用不同的时频分布进行时频分析。随后对比了时频分析的效果, 自适应最优核时频分布具有运算量小, 交叉项抑制效果好, 时频聚集度高等优点。最后, 使用1.5 μm相干多普勒激光雷达于2017年3月份在安徽合肥进行实地观测, 将自适应最优核时频分布应用于实测数据, 与传统的快速傅里叶方法对比风速反演结果。结果表明: 自适应最优核时频分布能更好地反映出风速细节信息, 3 km内距离分辨率为1.2 m, 3 km后经平滑保持了对远场弱信号风速估计的连续性, 时间分辨率为1 s时其最远水平探测范围约在6 km。

针对相干激光雷达远场回波信号信噪比低，提取困难的问题，提出了脉冲编码技术，以改善系统信噪比，增大雷达探测距离。研究了相干激光雷达系统中Golay码的编码和解码原理，理论分析了采用脉冲编码技术对系统信噪比的提升效果。基于大气分层模型仿真生成了相干激光雷达时域回波信号。基于Golay码解码原理得到了脉冲编码系统的风速结果，仿真结果表明，时间分辨率为1 s，距离分辨率为60 m的情况下，使用Golay编码脉冲作为相干激光雷达的探测脉冲，在0~5.3 km范围，风速误差小于3 m·s-1。在相同的测量时间内，相比于传统脉冲相干激光雷达，基于脉冲编码技术的相干激光雷达将探测距离提高了2.5 km，提高了远场弱信号的信噪比。

高峰值功率脉冲光纤激光器在激光雷达系统中有着广泛的应用。然而, 光纤激光器中放大自发辐射噪声(ASE)严重影响了系统的探测性能。提出一种测量高峰值功率脉冲光纤激光器中ASE噪声的方法。在该方法中, 首先对高峰值功率的激光脉冲衰减, 然后在时域分别测量和计算ASE噪声和激光脉冲的相对能量。给出了光纤激光器在驱动电流分别为6 A, 7 A和8 A时衰减后的ASE噪声廓线以及ASE噪声占激光脉冲能量的比例。

频率标定是瑞利测风激光雷达的关键技术。瑞利测风激光雷达中, 通过改变压电陶瓷管的电压实现连续调谐F-P标准具腔长, 使出射激光频率处于双边缘透过率曲线的交点处。在连续调谐时, 由于压电陶瓷管的磁滞效应引起腔长调谐非线性, 从而导致系统误差。分析了该误差的原因及特性, 提出了静态软件补偿和动态调频跟踪相结合的频率标定方法。若激光出射频率相对F-P标准具漂移小于100 MHz时, 在数据反演时补偿该频率偏差；若相对频率漂移大于100 MHz时, 将F-P标准具先退回预设腔长以下, 通过逐步增加电压的方式, 重新实现频率锁定, 保证锁定过程处在磁滞回线的电压上升段, 避免了磁滞效应引起的误差。多普勒激光雷达与无线电探空仪的两组对比实验中, 在15～30 km高度, 风速最大偏差6.22 m/s, 平均偏差1.12 m/s。

报道了一种基于扫描F-P标准具的高光谱分辨低平流层大气温度探测技术。通过扫描F-P标准具,获得大气分子瑞利后向散射的透过率分布。对该透过率进行非线性拟合,由拟合得到的谱宽计算大气温度分布。为了减小频率不稳定引起的系统误差,采用静态的F-P标准具实时监测激光出射频率,并在数据处理中进行补偿。由时间分辨率2000 s的激光雷达原始信号的信噪比,根据最大似然估计误差分析,该方法在30 km以下的探测误差小于1.9 K,50 km以下的探测误差小于9.8 K。在对比实验中,在18～36 km高光谱分辨激光雷达与探空气球探测的温度廓线最大偏差4.7 K;在27～34 km,高光谱分辨激光雷达与瑞利积分激光雷达探测的温度最大偏差2.7 K。在15～27 km,由于气溶胶的污染,瑞利积分激光雷达的温度明显偏离其他两种探测结果,最大偏差达22.8 K。

差分像移激光雷达可以测量随距离分布的大气湍流廓线。在结合测量原理和定性分析的基础上，经过严格的数学推导得到了差分像移激光雷达测量湍流的误差公式，提供了定量分析和改进系统性能的基础：在系统参数确定后，通过合理分配探测点间距以及每个探测点的探测时间可以达到最好的测量效果。根据模拟分析的结果，测量误差主要来源于光斑质心计算误差和有限样本引起的统计误差。近距离测量时，由于接收到的光子信号很强，光斑质心计算误差的影响很小，此时样本统计误差起主导作用；随着距离的增加，光斑质心计算误差的影响越来越大。

理论分析表明,双边缘瑞利测风激光雷达技术中，信号通道分光精度影响风速测量精度。因此，在风速误差计算上，需考虑分光比误差，且尽量选择分光稳定性好的仪器。在激光雷达中，常常利用光纤分束器与分束片进行分光。分束片的分光受大气退偏振效应影响，分光不稳定；而光纤分束器分光比需测量，存在测量误差。分析可得，在纯分子散射环境下，由于退偏振效应引起分光片的相对变化为0.07%～0.63%；实验测得多模光纤分束器分光比均值为1.018，标准偏差为0.4%，分析比较后选用分光稳定较好的光纤分束器。最后，进行了瑞利多普勒激光雷达与探空气球的联合测风实验，实验结果表明两者风场分布吻合得较好。