生物气溶胶极易在大气中传播并引发大范围疾病感染，利用生物荧光特异性的激光诱导荧光（LIF）雷达技术是实现生物气溶胶防区外侦测的有力手段。LIF激光雷达是一种宽光谱系统，受大气能见度和背景辐射的影响与窄光谱系统（如米散射激光雷达）有明显差异。为了评估LIF激光雷达在不同大气条件下的探测性能，利用Modtran5对几种典型的大气能见度和背景辐射（或工作时段）的水平路径上的宽光谱背景辐射与大气传输透过率进行了仿真，进而对不同大气条件下LIF激光雷达的探测性能进行了定量分析。仿真结果表明：在相同的大气能见度条件下，夜间的可探测距离要比白天高出2~4倍，且能见度越好，探测性能差异越大；在相同的工作时段，大气能见度良好时的可探测距离要比大气能见度较差时的高出2~5倍，且夜间探测性能差异比白天大；气溶胶生物性识别的可探测距离要比生物成分识别的可探测距离高出1~2倍，且受大气条件的影响明显。

水平探测荧光激光雷达是观测大气有机气溶胶的有效工具，系统常数的标定是利用荧光回波信号反演有机气溶胶浓度的关键。提出了一种基于荧光-米回波信号强度比的水平探测荧光激光雷达系统常数标定方法。该方法利用水平探测的荧光-米回波强度比和粒子计数器定点测量的气溶胶浓度数据来获得激光雷达的系统常数，进而减小系统几何因子的影响。在仿真计算中，将所提方法与传统标定方法进行对比，验证了所提方法的精度与稳定性。最后，利用一台水平近场探测的荧光-米散射双通道激光雷达进行实际标定实验，验证了所提方法的可行性和有效性。结果表明，所提方法可以较好地减小几何因子对标定精度的影响，并具有更好的稳定性。

荧光激光雷达技术作为长距离探测有机气溶胶的主要手段之一，常用于有机气溶胶的探测、预警、识别与追踪，为了尽早发现有机气溶胶防止危害，提高荧光激光雷达系统探测时间分辨率及预警速度具有重要意义。针对以上荧光激光雷达对高时间分辨率、响应快的需求，提出了一种数据采集系统设计方案，该系统基于生产者/消费者模式将激光雷达信号探测过程分为数据生产和数据消费两模块，结合软件多线程技术降低了两模块的耦合度，提高了两模块的并行度，有效地缩短了荧光激光雷达的探测周期。测试结果表明，当荧光激光雷达多脉冲累加采集周期为100ms，单次触发采样点数量为20000时，激光雷达探测时间分辨率的实际提升率达到40.51%，且与理论公式具有良好的一致性，该系统可以应用于荧光激光雷达的高时间分辨率数据采集。

对成团泛菌(Pan)、 金黄色葡萄球菌金黄亚种(Sta)、 球芽孢杆菌(BG)和大肠杆菌(EH)四种生物战剂模拟物进行了培养和生长曲线测定, 四种菌的代时分别为0.99, 0.835, 1.07和1.909 h; 设计研制了近场小型荧光测量激光雷达, 266和355 nm波长分别用于测量生物战剂模拟物氨基酸段和NADH段二维荧光谱; 在可控的荧光测量腔室, 测得了分辨率为4 nm的营养态细菌液态气溶胶以及牛血清(BSA)、 卵清蛋白(OVA)两种毒素类模拟物液态气溶胶的二维荧光谱; 二维荧光谱数据表明, Pan, Sta, BG, EH, BSA和OVA气溶胶, 在氨基酸段的荧光谱形与标准荧光组分色氨酸较为一致, FWHM为60 nm, 受培养生化环境、 细菌内部荧光组分及比例的影响, 荧光分子激发态与基态间的能量差增大, 荧光谱带均存在不同程度的蓝/紫移; 在Pan, Sta, BG和EH营养细菌气溶胶中均检出了较弱的NADH荧光组分, 且水、 氮等的拉曼散射不能完全扣除, 光谱锯齿严重, FWHM为100 nm; 二阶求导后的二维荧光谱表明, 荧光谱的高阶处理和分辨识别是可行的。

大气探测激光雷达具有可提供高时空分辨率、高探测精度和连续廓线数据的优势,已经成为大气探测强有力的工具。 激光雷达按照探测技术可以分为米散射激光雷达、偏振激光雷达、拉曼激光雷达、差分吸收激光雷达、 高光谱分辨率激光雷达、瑞利散射激光雷达、共振荧光激光雷达和多普勒激光雷达等。分别介绍了各类激光雷达探测的基本原理、 发展历史及优缺点,及其在探测大气气溶胶和云、水汽、温度、风、痕量气体、温室气体和污染气体等方面的应用。最后进行总结,并对激光雷达技术发展趋势进行了展望。

激光诱导植物荧光寿命测量法是在植物荧光光谱分析法基础上开发的一种评估植物生长状况及环境监测的新技术。 根据植物叶绿素荧光信号的物理特性, 利用信息仿真技术开发了一种叶绿素荧光寿命校正方法, 可提高植物叶绿素荧光寿命的测量精度。 利用激光诱导叶绿素荧光寿命测量系统分别测得叶绿素荧光及其背景信号, 先用解卷积法叶绿素荧光信号中分离出荧光衰减函数, 可获取荧光寿命估计值。 再结合叶绿素荧光寿命校正技术就能反演得到高精度的植物荧光寿命。 仿真与实验结果表明: 该方法可实现高精度的植物荧光寿命实时监测; 并对不同含量的叶绿素提取液进行了测试, 构建了植物荧光寿命与叶绿素含量的对应关系模型。 未来该技术可用于遥感监测海洋、 湖泊、 河流中藻类植物的生物含量。

传统荧光光谱分析法虽能用于评估植物生理状况, 但在植物遥感探测中该方法具有抗干扰性弱、待测数据量大的缺陷.针对此问题, 提出一种荧光寿命成像技术, 将植物荧光寿命及光谱信息结合, 分析植物内在生理信息, 实现了远距离、大范围精确测量植物生理状况.采用时间分辨测量法, 用连续激光脉冲照射植物产生大量相同的荧光信号, 同时不断改变探测器的启动延迟时间, 得到完整的荧光信号, 用解卷积法反演植物荧光寿命.对活体法国冬青植株的光谱信息与荧光寿命特性进行了研究, 结果显示植物荧光寿命与叶绿素含量成线性关系, 并且植物叶绿素含量在0.03~0.06 mg/cm2这一特定范围, 线性相关系数高达0.9051, 比荧光光谱能更精确地反映植物叶绿素含量.

基于激光诱导生物荧光技术, 分别采用紫外355 nm和266 nm激光作为激发光源, 构建生物气溶胶荧光雷达监测系统模型.综合考虑不同激发波段, 臭氧吸收以及太阳背景光等因素对激光雷达荧光探测效果的影响, 对系统性能进行数值仿真分析.仿真结果表明, 在四倍频266 nm紫外波段的激光激发下, 系统受地表臭氧的影响, 白天的有效探测距离非常有限; 在系统信噪比为10(SNR=10), 臭氧浓度为50 μg/L时, 最大探测距离仅为300 m; 而夜间情况下, 太阳背景光影响减弱, 探测距离约为450 m.三倍频355 nm激发时, 臭氧对系统的探测性能影响较小, 夜间探测距离可达750 m; 白天太阳背景光对355 nm的系统影响较大, 在相同0.5 mrad接收视场角下, 其有效探测距离约为330 m.为减少白天背景光的影响, 将望远镜接收视场角压缩到0.3 mrad, 同时选用50 nm带宽的滤光片, 此时系统的探测距离为480 m.由于355 nm波段的激发荧光受白天太阳背景光的影响较大, 在进行夜间探测时才可获得较好的效果; 而266 nm的激发波段可以很好的抑制背景光影响, 能够实现对生物气溶胶的白天有效探测.

生物气溶胶在大气中扩散极易传播和发生各种流行疾病, 也是生物**投放的主要形式, 实现生物气溶胶实时、 远距离的探测显得尤为重要。 构建了一台双波长荧光雷达用于大气中生物气溶胶的预警和识别。 该雷达系统采用Nd∶YAG固体激光器作为激励光源, 基频1 064 nm、 四倍频266 nm作为工作波长。 基于激光诱导荧光雷达探测原理, 对红外波段的弹性散射信号和紫外波段诱导的荧光信号进行数值分析。 结果显示, 在探测误差小于10%的情况下, 距离为1.0 km时, 单激光脉冲测量得到白天和夜晚细菌孢子的最小探测浓度分别为15 100个颗粒·L-1和8 386个颗粒·L-1; 当脉冲数累加到10 000时, 白天和夜晚的细菌孢子最小探测浓度显著改善, 分别为144个颗粒·L-1和77个颗粒·L-1。 分析结果还表明, 通过红外波段确定细菌孢子云团位置后, 为了提高系统对细菌孢子的探测性能, 可增加紫外激光脉冲数量, 延长荧光信号采集时间。

根据国际机载荧光激光雷达系统发展趋势,对基于512通道ICCD的机载海洋荧光激光雷达系统进行了 实验室实验模拟和计算,对其可行性进行了评估。采用单脉冲能量70 μJ的355 nm Nd:YAG激光器 作为激发光源,直径100 mm的透镜收集探测距离5 m远的荧光信号,信号具有较好信噪比。 模拟计算表明,对于同样基于ICCD探测的机载海洋激光雷达,采用20 Hz、单脉冲能量80 mJ的激光器 和200 mm口径望远镜在150 m探测距离可获得与实验室相当的结果。