准确的风场数据对于平流层飞艇实现长时间驻空任务有着重要的安全保障作用。针对20 km高度处空气稀薄的特点，为实现平流层飞艇航行环境的风场探测需求，设计了波长为532 nm的直接探测多普勒光纤激光风速仪。使用双通道法布里-珀罗标准具为鉴频器和波长可调谐的脉冲光纤激光器，完成了系统的结构设计。系统参考了相干测风激光雷达的光路设计，采用收发合置的望远镜设计方案，无探测盲区，接收视场角较小，提高了全天探测的性能。利用液晶相位延迟器的光束偏振特性可实现光路探测方向的控制。以最小的风速探测误差为标准，通过仿真分析选取了法布里-珀罗标准具的各项参数，并对系统的风场探测性能进行了分析。仿真过程中，激光器的平均功率为500 mW，积分时间为10 s，距离分辨率为100 m，分析结果表明，风速误差在500 m探测距离内小于1 m/s，计算得出的风向误差在风速大于10 m/s的情况下，其风向精度优于5°。

激光雷达具有探测距离远，分辨率高，对气溶胶浓度变化敏感等优势，偏振激光雷达还能够对粒子形态做区分，根据消光系数及退偏比值识别云、雾、烟尘等。利用偏振激光雷达进行扫描观测，可以实现火灾烟尘的快速识别。通过对不同波长的激光雷达探测距离进行仿真，结果表明，波长为1064 nm的激光雷达探测距离为532 nm波长的1.3~1.4倍。通过优化扫描策略及算法，可剔除固定障碍物及临时移动障碍物的影响。为避开安装点位周边高度相近的障碍物，通常会给激光雷达设置一定仰角，对存在探测仰角时产生的水平距离偏差及垂直高度测量偏差进行计算，当激光雷达探测仰角为2°时，6 km处测量高度偏差为209.397 m。使用高斯烟羽模型对烟尘浓度分布进行仿真，当大气稳定度为B，平均风速为1 m/s时，200 m高度处烟尘浓度分布高值点距地面火点的径向距离≥1 km，为火点准确定位提供了修正依据。分别在辽宁省盘锦市盘山县绕阳湖景区，广东省东莞市观音山森林公园进行外场实验，偏振激光雷达在开阔地带及多障碍物山体地带下，均能够快速识别烟尘。

气溶胶对全球生态系统、物质循环具有重要影响，研究气溶胶光学参量等基础数据反演的准确性意义重大。利用来自欧洲气溶胶研究激光雷达网的4个观测站点（波坦察、莱比锡、里尔、埃武拉）在两次集中观测任务中的数据，对使用不同大气模式的温度、压强数据在反演气溶胶光学参量（消光和后向散射系数）及气溶胶分类中所产生的影响进行研究。结果表明：选用不同的大气模式对气溶胶光学参量进行反演会导致计算结果出现偏差，其中对于Raman法获取气溶胶消光系数的影响较大，在355 nm和532 nm处的最大偏差均可达到~20%。大气气溶胶浓度也会对不同模式的气溶胶光学参量反演结果产生影响，并且随观测波长的不同而有所差异。此外，不同大气模式会使气溶胶激光雷达比以及Ångström指数等与气溶胶类型相关的参量反演结果产生偏差，并最终影响气溶胶的分类。文中研究结果对于揭示大气模式的选取在反演气溶胶光学参量中的重要性以及对于气溶胶分类乃至大气科学的相关研究都具有重要的参考价值。

星载测风激光雷达可以提供全球范围高实时性、高精度、高分辨率的大气风场信息，已经被认为是解决全球化风场观测的最佳手段。我国也在积极开展星载多普勒测风激光雷达相关研究工作。针对400 km高度的卫星轨道，设计并研制了一套多普勒直接测风激光雷达光学接收机，结合双边缘检测原理和星载平台相关技术参数，对Fabry-Perot标准具的主要参数进行设计。为了满足星载平台对稳定性和小型化的需求，接收机中主要光学元件之间采用分子粘接方式紧密连接。整个光学接收机集成在450 mm×300 mm×80 mm密闭箱体中，内部光学元件采用倒插方式沉入接收机壳体的凹槽内，整体结构稳定可靠，集成度高。通过改变激光波长的方式扫描Fabry-Perot标准具的透过率曲线，对所研制的接收机进行了性能测试。并由透过率曲线的实测参数对接收机的测风性能进行仿真，仿真结果显示在30 km处的最大风速误差为2.94 m/s。并进一步分析了接收机带宽增宽对测风精度的影响，分析结果显示带宽偏差为0.43 pm时，会引起1 m/s的风速误差增量。

太阳光背景辐射严重影响拉曼激光雷达白天探测的性能。为提高拉曼激光雷达白天探测的高度和精度，设计了激光波长为354.8 nm的拉曼激光雷达系统，讨论了354.8 nm和532 nm激光光源对拉曼激光雷达探测性能的影响，完成了系统的光路设计。偏振分光棱镜和1/4波片组成的光开关与收发合置的望远镜相结合，减小了系统的接收视场角，优化了白天探测的性能。以最小的温度不确定度为标准，通过仿真分析选取了转动拉曼通道干涉滤光片的各项参数，并对系统的探测性能进行了仿真。仿真过程中激光能量取200 mJ，频率50 Hz，积分时间20 min，距离分辨率105 m。收发合置的拉曼激光雷达系统在考虑退偏的情况下，白天探测的温度不确定度在3180 m以下小于1 K。白天探测水汽混合比的统计误差在2400 m以下，小于0.001 g/kg。仿真结果表明，白天探测的性能得到了一定程度的提高。

对脉冲光和连续光两种激光雷达系统进行了改进，在原有激光雷达系统的基础上进一步细化设计参数，并结合系统本身限制选择更合适的设备。对两种激光雷达系统回波信号进行模拟计算，并就信噪比和实现难度等方面进行了对比，结果表明，脉冲光激光雷达更合适探测热层和外逸层亚稳态氦密度。

为实现风力发电机迎风信息的精确测量，采用连续波相干探测技术，设计了针对风力发电机偏航控制需求的激光测风系统。该系统的扫描装置中由直驱电机带动15°顶角楔形镜旋转实现激光对大气的圆锥扫描，设置扫描一圈用时为15 s，每圈采样点数为30个，利用正弦拟合方法反演风力发电机前方的风场信息。将激光测风系统安装在深圳市气象观测梯度塔下，与塔上超声波风速仪进行了对比测风试验。经过数据分析，水平风速相关系数达0.98，标准差为0.22 m/s，风向相关系数达0.97，标准差为3.04°，表明所设计的激光测风系统性能优良，工作稳定可靠，能够为风力发电机提供精确风场参数，提高风能的利用效率。

一台基于分子双边缘鉴频技术的车载瑞利多普勒激光雷达系统，于2014年至2016年先后在山西忻州（38.42°N 112.72°E）和甘肃酒泉（39.74°N 98.49°E）地区对平流层风场进行连续观测。观测结果表明：18~25 km范围内，酒泉春、秋季节以及忻州冬季均出现了准零风层大气结构，并伴有明显的上下浮动现象，该准零风层结构与2011年夏季新疆乌鲁木齐（42.1°N 87.1°E）多普勒激光雷达系统观测到的结果具有明显差异。分析认为：由于5月与10月处于短暂的季节过渡时期，中纬度地区平流层东风环流尚未稳定导致零风线的上下浮动；2015年1月忻州地区出现平流层准零风层与平流层爆发性增温有关。