阐述了相干差分吸收激光雷达（CDIAL）探测大气二氧化碳（CO₂）的原理，设计了1.57 μm波段微脉冲相干探测系统，并对系统的回波信号进行了仿真。通过仿真计算分别探究了温度、压力、波长等因素对差分光学厚度计算及CO₂体积分数的反演精度的影响。仿真结果显示：当波长漂移为0.5 pm、温度不确定度为1 K、压强不确定度为1 hPa、水汽体积分数测量不确定度为10%时，这些参数引起的总体误差为0.45%；在大气中CO₂的体积分数为4×10^-4时，微脉冲相干激光雷达探测CO₂体积分数的测量误差约为1.8×10^-6。

介绍了激光多普勒测速仪（LDV）的原理，分析影响LDV测量精度的因素，研究了激光多普勒海流计（LDCP）在海流和海洋微尺度湍流测量中应用的可行性，通过理论计算得到系统参数及校正系数。LDCP系统的探测性能经过野外实验的验证，结果证明了激光多普勒测速技术在海洋微尺度湍流中应用的可行性。

为实现近场风场的非接触式高分辨、高精度测量, 弥补脉冲相干测风激光雷达在近场风场测量存在盲区的缺陷, 选用对人眼安全的 1550 nm 工作波长的高功率连续波光纤激光器作为光源, 基于激光多普勒相干测风原理, 通过改变连续波激光聚焦位置实现风场不同位置的风速探测。为提高系统的信噪比 (SNR), 优化选取了当前系统本振光功率参数; 并通过优化设计 “有效频谱质心” 算法, 对连续波测量体积内存在多个速度分量数据进行处理, 从而提高数据反演精度。使用该激光雷达系统与超声波风速计进行对比实验, 风速数据相关性为 0.98, 标准差为 0.16 m·s-1。 在此基础上, 利用该激光雷达系统进行长期风速观测实验, 选取不同天气气溶胶含量差别较大的多组数据进行分析, 同时对近地面及近建筑物风场内风速的变化进行了探究。局地风速观测实验结果表明, 该激光雷达系统的风速测量区间为 0.3～18 m·s-1, 风场测量位置 2～30 m, 能够实现风场风速梯度的连续测量。