传统多光谱关联成像技术的发展受限于系统结构复杂和数据量大。为提高多光谱图像的复原效率，本文提出了余弦编码复用多光谱关联成像技术。将具有确定频率的余弦结构编码与正交Hadamard基图案复用为结构光对目标场景进行调制照明，并用一个宽带光电倍增管收集后向散射信号。在复原过程中，基于余弦编码的傅里叶频移特性可将多通道光谱混叠信息由空间域转换到频率域进行解码分离，最终复原出目标场景的多光谱图像。通过仿真分析了理想低通滤波器、高斯低通滤波器和巴特沃斯低通滤波器对多光谱图像复原质量的影响，并将所提方法与传统方法进行了对比实验。结果表明：所提方法能有效提高多光谱信息的获取效率，缩短图像重建时间；频域滤波时，选用高斯低通滤波器比理想低通滤波器、巴特沃斯低通滤波器更具优势。

基于光波大气传输理论，模拟了斜程大气路径下空基光学系统的成像过程，分析了不同条件下大气湍流对成像质量的影响，并与理论结果进行了对比。当系统口径小于大气相干长度时，分辨率随口径的增大明显提高，而在系统口径大于大气相干长度后，分辨率随口径的增大逐渐趋于一稳定值，最佳口径值为2r0（r0为大气相干长度）。通过对不同折射率结构常数模型的仿真可以看出，随着传输距离的增加，最小可分辨长度先是逐渐增大，在传输距离大于50 km后，最小可分辨长度趋于一稳定值。由此可见，当传输距离小于50 km时，大气湍流对光学系统成像质量的影响较大。较弱的大气湍流对空基光学系统地面分辨率的影响为2~3 cm，而较强的大气湍流对空基光学系统地面分辨率的影响可达到7~10 cm。对流层顶的高空湍流对成像效果的影响较为显著，若不考虑此高空湍流的影响，分辨率可提升1.4倍左右。

激光在大气传输过程中, 由于湍流折射率的随机起伏会引起波前畸变、光斑漂移、闪烁等一系列光学湍流效应, 因此严重制约了遥感成像系统和激光通信技术的发展。通过分析大气光学湍流对多个领域的影响, 指出了探测大气光学湍流廓线的重要意义。要想获取光学湍流的时空分布规律并准确评估光学湍流对光学成像或激光传输系统的影响, 就必须对光学湍流进行准确的测量。以光学湍流特征参数为视角, 介绍了目前国内外探测大气湍流廓线分布的方法和研究进展, 总结了各技术方法的测量原理及优缺点。最后对拟开展的差分波前激光雷达探测大气湍流廓线的方法进行了简要介绍, 该技术具有空间分辨率高且不存在聚焦焦移的探测优势。初步的仿真研究结果表明该雷达系统对大气光学湍流廓线的探测具有可行性。

差分波前激光雷达是基于双孔望远镜探测的激光回波波前差分抖动方差来探测大气光学湍流强度的雷达系统。为评估与优化系统探测大气湍流的性能,进行了数值仿真。基于波动光学理论、大气湍流相位屏模型和大气消光模型来模拟激光在垂直大气路径上的传输,并结合网格采样的优化设计,得到了激光光束在传播路径上不同位置的光强分布。利用非相干光源成像原理,根据不同传输路径处的后向散射光强分布得到了探测器上两个光斑图像的分布信息。根据仿真结果,随着湍流强度的提高,光束波前畸变程度加深。成像光斑直径随着探测高度的增大而减小,探测高度为10 km时,成像光斑直径减小到2.45×10 ^-4 m。通过对比仿真的反演结果与仿真输入的HV_5/7(Hufnagel-Valley 5/7)的结果,发现两者具有较高的一致性,这初步证明差分波前激光雷达探测大气湍流的原理及方法的可靠性。

为了初步探究淮南地区大气SO2及NO2的不同时空分布特征,采用自研的差分吸收激光雷达系统测得某地（淮南地区）部分月份大气SO2及NO2气体浓度分布廓线,并选取其中典型实例从气体水平浓度日变化、垂直浓度变化以及水平浓度月变化3个方面分析了SO2及NO2分布特点。结果表明,同一天夜晚时刻,SO2及NO2气体浓度大于下午时刻的气体浓度；SO2及NO2气体垂直浓度随高度增加呈递减趋势；SO2及NO2气体水平浓度月变化变现为冬季月份气体浓度最大,夏季月份气体浓度最小,春、秋季月份次之。SO2及NO2浓度变化特征是人群活动和气象条件变化共同作用的结果。

提出空间编码复用散斑技术来实现单个单像素探测器对多个物体信息的同时探测获取。使用空间编码复用散斑对多个物体信息进行照明, 使用单像素探测器对回波信号进行探测, 利用关联算法获取混叠多物体信息, 然后用空间编码信息对随机采样的多个物体信息进行解码, 最后采用压缩感知技术对完整的多个物体信息进行复原。使用该技术分别实现了对多空间、多光谱和多偏振信息的同时探测获取, 实验结果证实了该技术的有效性, 该技术可有效降低系统数据量, 提高关联成像系统的成像效能。

利用CCD激光雷达系统对合肥西郊近地面气溶胶消光系数进行了昼夜连续测量, 弥补了传统后向散射激光雷达近地面盲区和重叠区域的数据空白.比较夜间Mie散射气溶胶激光雷达和CCD激光雷达获得的气溶胶消光系数, 验证了CCD激光雷达系统的可靠性.CCD激光雷达系统的白天检测是可行的, 并获得了10~180 m高度的大气气溶胶消光系数, 空间分辨率最高可达1 cm.两种气溶胶消光系数分布表明, 气溶胶消光系数在垂直方向上不是单调递减, 且在一天中剧烈变化.CCD激光雷达检测到的气溶胶消光系数的时空演化图表明, 随着天色变黑, 整体气溶胶具有降低的趋势.CCD激光雷达的气溶胶消光系数曲线的日间检测是可以实现的.

利用拉曼激光雷达系统测量了合肥西郊低对流层(2 km以下)大气二氧化碳浓度的垂直分布，并对获得的数据进行系统定标和滑动平均处理，反演出大气二氧化碳的垂直浓度廓线。对2014年7月到2015年12月激光雷达观测数据进行反演和统计分析，初步得到了合肥地区低对流层大气二氧化碳垂直浓度廓线的变化规律。结果表明:1) 低对流层大气二氧化碳浓度垂直分布随高度增加而减小，在近地面150 m以下浓度较高，变化较剧烈，300 m以上大气二氧化碳的浓度廓线趋于平稳；2) 低对流层大气二氧化碳垂直浓度廓线呈明显的季节性分布特征，夏季廓线的整体浓度最小，冬季廓线的整体浓度最大；3) 低对流层大气二氧化碳垂直分布与月份有一定的相关性，整体廓线约以每年2×10-6增长。通过实验发现，二氧化碳垂直浓度随着高度增加非单调递减，在大约300~700 m高度区间存在二氧化碳富集区，随着天空渐渐变亮，此区间大气二氧化碳浓度有减小的趋势。

根据米氏散射理论，对卷云消光特性、有效激光雷达比与波长之间的关系进行了模拟研究，并基于三波长激光雷达系统于2011年1月至2012年10月在合肥西郊的观测资料，计算了卷云不同波长的有效激光雷达比。理论和实验结果均表明，对三波长激光雷达系统所用的355，532，1064 nm三个波长而言，卷云的消光系数与波长无关，有效激光雷达比随着波长的增大而增大。合肥地区的卷云有效激光雷达比主要分布在10~70 sr之间，它们对应三个波长上的均值分别为(21.0±9.3) sr，(29.4±11.7) sr，(38.1±11.4) sr。355 nm波长的卷云有效激光雷达比秋季最低，而532 nm和1064 nm波长则秋季最高。