精确观测大气风场在气象、**、航空航天等领域具有十分重要的意义。相干测风激光雷达能够实时有效地进行大气矢量风场探测。为此研制出一款基于多普勒原理的相干测风激光雷达，并进行外场观测验证了其性能。该系统可探测垂直上空45～3000 m的水平风场以及垂直气流，最大可探测风速为60 m/s。分析比对了该雷达于2021年10月16日08：00―20日00：00在广州市黄埔区气象局观测的数据与同时段同地点微波风廓线雷达的观测数据，结果表明二者具有良好的一致性。重点分析了2021年10月18日10：00―20日00：00的典型观测数据，进一步验证了该相干测风激光雷达所测数据的准确性。该雷达在风场探测上的应用将为气象参数监测和预报精度的提高以及极端灾害性天气的预警提供实时数据支撑。

大气湍流广泛存在于大气中，其中斜程湍流对航空航天、天文观测等会产生不可忽视的影响。一方面利用相干多普勒测风激光雷达获得的高时空分辨风场探测数据，另一方面基于Kolmogorov局地均匀各项同性理论，即在惯性子区内湍流的特征只与湍能耗散率 ε 有关，将速度结构函数法应用到飞机着陆阶段下滑道扫描模式中，通过实测数据的速度结构函数与模型速度结构函数最小二乘法拟合，从而估算激光雷达扫描范围内的大气湍流参数 (径向风速方差、湍流积分尺度和 ε 等)。根据下滑道扫描区域数据的时空分布特征，给出大气湍流参数的斜程空间分布图，并与同步观测的飞机下滑道风切变强度数据进行了对比分析，发现两者具有较好的一致性，证实了斜程湍流参数反演方法的可靠性。

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。

多普勒测风激光雷达通过分析系统回波信号的多普勒频移反演出风速，为提高风场探测精度，从稳频技术方面展开研究。在稳频过程中，分别采取措施消除激光频率的长期漂移和短期抖动。针对激光频率的长期漂移，设计并研制了种子激光器温控箱，通过水浴的控温方式大大减小了激光频率的长期漂移，将激光频率稳定在±50 MHz以内；针对激光频率的短期抖动，采用以碘分子吸收池为核心器件的稳频系统，通过半导体控温方式对碘分子吸收池精确控温，控温精度达0.03 ℃，提高了稳频精度，将激光频率进一步稳定在±8 MHz以内，满足±10 MHz以内的设计精度要求。通过搭建多普勒测风激光雷达系统，对发射激光稳频装置进行系统验证，连续4组风场观测结果表明：系统探测高度为17 km，绝大部分方差在4 m/s以下，满足测风激光雷达测量指标的要求。

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。