针对民航机场区域内单部激光雷达探测水平风场存在较大误差的问题，提出一种基于支持向量回归的双激光雷达水平风场估计模型。该模型以两部激光雷达重叠扫描区域风速为基础，对非重叠区雷达径向的其他数据点水平风速进行估计。首先，提取重叠区的径向风速、水平风速和距离三个特征，以重叠区域数据点为训练集，在同一维度规范化后设定惩罚因子和核函数参数，用支持向量回归得到初始估计值。然后，以单部激光雷达的径向风速为先验条件，估计出非重叠区相邻径向点水平风速。将估计的结果扩展为新的训练集，依次逐步扩大训练集进而估计出非重叠区的水平风速。最后，通过实测数据分析了该方法逐步估计的误差，分析了风速大小和回波信噪比对该方法估计性能的影响，结果表明该方法估计的风场的均方根误差较单部雷达的均方根误差更小，减小了水平风速误差，扩大了双激光雷达探测水平风场范围，提高了雷达的利用率。

提出了一种基于奇异值分解(Singular Value Decomposition,SVD)的湍流速度结构函数构造方法, 将该方法构造的速度结构函数与湍流模型拟合, 可以实现激光雷达的湍流识别。首先对激光雷达扫描的空间数据进行距离门扇区划分, 在每个子扇区内对湍流风场做奇异值分解, 得到特征速度基准值和每个距离门的湍流脉动速度, 构建出速度结构函数。选取标准von Kármán湍流模型函数作为拟合约束, 得出涡流耗散率的立方根来判断湍流的强度。最后, 利用兰州机场的实测数据, 对比分析了在不同湍流强度下SVD方法的速度结构函数与局部平均方法的性能。通过与机组报告的湍流数据进行对比分析, SVD方法进行湍流预警的预警率可以达到85.2%。该方法对提高机场湍流探测和识别有重要意义。

提出了一种基于激光脉冲距离权重函数的湍流风场速度估计的方法, 可以解决多普勒信息探测晴空湍流风场中精细化的风速测量问题。算法以划分的距离门为单位对速度值进行空间平均, 将各距离单元速度与激光脉冲距离权重函数进行卷积运算得到风速的局部估计值。并考虑高斯激光脉冲在湍流风场中的有效空间展宽传输特性, 根据直接选取距离门中心位置的速度估计方法和快速的线性平均近似方法的处理过程, 引入激光脉冲的传输特性来表达湍流径向风速的统计平均值, 以实现湍流风速的测量以及激光雷达在探测湍流上的应用。实验结果表明, 在有明显湍流条件的风场环境中, 脉冲距离权重方法比线性平均方法在保留真实风场属性的前提下具有相对更小的速度标准差, 显示出较好的风速修正效果, 提高了激光雷达对湍流风场的测速性能。

针对由复杂地形或地理环境等因素诱发范围小但强度大的晴空风切变无法被已有风切变算法检测的问题, 提出一种测风激光雷达修正F因子来检测这种小尺度风切变的算法。将传统F因子中雷达无法直接测量的垂直风速分量通过理论模型转换为径向风速梯度的函数, 将解算F因子的关键点落在得到径向风速梯度的问题上。先从晴空风场数据中提取出激光雷达下滑道扫描的风速廓线, 再用最小二乘法计算风速廓线的径向梯度, 进一步求解得到修正后的F因子, 并根据其经验阈值来判别风切变, 最后使用香港国际机场提供的实测激光雷达风场数据进行了实验验证。实验结果表明, 当风切变范围在400~800 m时, 该算法能够检测出现有斜坡算法无法检测到的小尺度风切变, 并将小尺度风切变检测范围扩大2 NM。该方法利用地面激光雷达数据来衡量机载指标变化, 并在检测几百米的小尺度风切变方面效果明显, 对于降低风切变漏报率和提高风切变预警率都具有重要意义。

考虑大气透射仪的光源不稳定性以及光学准直及大气环境的动态变化均会对其测量精度产生影响, 本文在高精度导轨上设计了多点移动大气透过率测量系统, 以便提高其大气透过率及消光系数的测量精度。该系统采用可移动测试平台, 运用多点移动测量的方式测量大气透过率及消光系数。基于理论比较了多点移动大气透过率测量方法与传统大气透射仪测量方法的测量精度, 证明了该系统的测量精度高于传统大气透射仪。将该系统与经过良好校正的Skopograph II型大气透射仪在大气环境模拟舱进行了较长时间的对比验证。结果表明, 两套系统具有很好的相关性, 91.93%的数据对偏差在10%以内, 相关系数达0.985 7。在低能见度条件下, 多点移动大气透过率测量系统的测量稳定性优于传统大气透射仪。得到的结果显示: 该系统能够满足大气透过率和消光系数测量对准确性、稳定性和一致性的要求。

针对能见度真值难以确定和能见度仪测量结果难以评价的问题，提出了一种基线长度改变的能见度测量和评价的方法，并采用整体最小二乘拟合方法来降低基线长度的定位误差和透射率测量误差对消光系数的影响，提高了消光系数的测量精度。为验证方法的有效性和评价该方法在不同能见度条件下的测量性能，设计了移动测试平台，在大气模拟舱模拟了一次能见度由高到低持续变化的过程，采用多点多次测量的方式测量了环境的消光系数及能见度。实验结果表明该方法在不同能见度条件下，均有较高的测量稳定性和一致性。确定系数随能见度的降低而增大，能见度大于3000 m 时，确定系数也达到0.9以上，低能见度时可以达到0.99。各种能见度条件下，单位权方差在10^-4~10^-2之间，表明该方法测量的离散性很小，测量精度高，可作为能见度仪校正和标定的参考。

为了满足在不良气象条件下, 机场飞机安全起降对能见度的观测需求, 基于后向散射原理设计了一台小型激光雷达能见度仪。该系统采用具有低脉冲能量、高脉冲重复频率的二极管抽运固体激光器和具有低噪声、高量子效率的雪崩光电二极管探测器, 确保了系统的测量精确性;并采用嵌入式计算机作为系统的控制和数据处理核心, 实现了对系统工作时序的控制。经过多次外场测试, 能见度测量数据总体误差小于15%。结果表明, 该系统具有较高的探测精度, 完全满足国际民航组织对于能见度观测设备精确度的要求。