星载相干测风激光雷达是获取全球三维风场的有效手段。理论分析了相干测风激光雷达在星载平台下的风场矢量反演方法, 并基于大气分层时域信号理论模型建立了星载相干测风激光雷达仿真系统, 对设计的三视向探测方案的性能进行仿真评估。经过初步仿真验证, 当轨道高度为270km, 天底角为35°时, 可以实现沿轨分辨率为11.15km的风廓线反演; 水平风速误差为0.52m/s, 水平风向误差为0.19°。

海洋是地球生态环境的重要一环, 但人类对海洋资源的勘探和开采容易对其造成严重破坏, 如油气开采过程造成的大面积溢油、污染和赤潮爆发等。高光谱成像技术可以同时获取图像信息与高分辨光谱信息, 在海洋原位探测上具有重大应用。文中综述了小型高光谱图谱仪与激光雷达及其在海洋应用上的部分近期工作。小型高光谱图谱仪结合荧光技术, 实现了溢油种类的分类和油膜厚度的估计。多模式高光谱海洋原位探测系统可以工作于普通反射或透射成像、望远成像、显微成像三种模式, 实现了海洋不同藻类及鱼类传染病载体孢囊的高光谱探测。高光谱技术结合激光雷达技术在溢油、赤潮等海洋污染物监测方面具有很大潜力。非弹性高光谱沙姆激光雷达系统通过油品的荧光光谱实现了海洋溢油油品的遥测鉴别。形貌沙姆激光雷达系统基于二维沙姆成像原理, 通过空气-水界面折射矫正, 成功的对人体、贝壳、珊瑚等进行了三维形貌重构, 近处恢复精度可达毫米级, 表面纹路清晰可见, 为海洋监测应用提供了新的技术支持。

基于532 nm脉冲激光器,搭建了船载三通道海洋激光雷达系统。利用该系统对叶绿素a浓度进行了测量,将所得到的测量结果与商业化叶绿素荧光计的测量结果进行了对比,结果显示,二者的相关系数高达0.84,即表现出良好的线性相关性。为了测试和评估该系统对表层海水叶绿素a浓度的探测性能,开展了初步现场走航实验,并获取了走航路径上表层海水的叶绿素a浓度的分布状况。结果表明,基于激光雷达探测数据反演的表层海水的叶绿素a浓度与商业化叶绿素荧光计同步探测得到的表层海水的叶绿素a浓度的相关系数可达0.69。

提出一种螺旋式扫描机载激光雷达系统的数字高程模型(DEM)内插算法。首先，描述螺旋式扫描激光雷达系统的扫描特点，并阐述实时计算重叠区域的原理；然后，介绍改进的三角网迭代加密滤波法，并将其用于地面点与非地面点的分离；最后，基于随机森林法内插DEM。实验结果表明，该方法实现了螺旋式扫描机载激光雷达系统的DEM内插，且内插精度符合工业生产的数据要求。

机载激光测深系统能够快速、高效地测量浅海、岛礁、暗礁及船只无法安全到达的水域，能够提供近岸全覆盖50 m水深测量；船载移动测量系统可以获得近岸浅海水底地形数据及近岸岛礁精细三维激光点云，二者数据在测量区域以及测量范围上具有一定的互补性。文中采用一种基于曲率特征点的改进迭代最近点（ICP）算法，将国产机载测深系统和船载移动测量系统获取的机载激光测深数据、多波束数据、三维激光扫描数据进行配准融合。结果表明，通过将二者数据进行配准融合，可以实现陆地、浅海区域海陆地形的全面精准描述、海陆基准统一，有助于海岛礁地形地貌认识、水下目标物探测及发现等。

机载激光雷达系统是集激光扫描仪、全球定位系统和惯性导航系统等于一体的多传感器集成系统。机载激光雷达的检校和标定是保证激光点云定位精度的关键环节,其中扫描系统安置角误差是影响定位精度的主要因素之一。首先介绍了国产中远程机载激光雷达Mars-LiDAR系统, 然后基于误差传播定律对系统误差进行了分析。研究了系统安置角误差的飞行检校方法, 采用外场定标的方法将安置角进行动态分离, 并通过飞行试验完成了系统安置角误差的动态检校, 对Mars-LiDAR系统在3000 m、4000 m飞行高度获取的点云进行了定位精度分析和校正, 验证了Mars-LiDAR系统安置角误差检校方法的实用性。

为了实现对远近距离的物体进行三维测量，扩大系统的测量范围，建立了融合LIDAR的激光同步扫描三角测量系统。对该系统的原理、系统设计及器件选型进行研究。首先，根据同步扫描机制，在普通三角测量的基础上融合LIDAR技术，并推导出三维点的计算公式。接着，根据系统设计要求，介绍了激光器、接收透镜、反射镜、二向色镜、扫描伺服电机、LIDAR接收器以及相机的选型等。然后，根据选型的结果，设计机械结构。最后，通过Zemax对搭建的光学系统进行光路仿真，验证原理的可行性；并在现实环境中，对APD的回光量进行测试以及对实际物体进行扫描并获得三维点云。实验结果表明，该系统的设计是可行的。

高精度的激光雷达探测对发射波长的精确定标和稳定有极其严格的要求，可调谐激光器进行多次波长调节时存在的激光器空回问题会严重影响系统的探测精度。为此，提出了一种解决可调谐激光器空回问题的算法，得出了通过来回跳转使正负误差相抵消以消除空回误差的方法，并首先将其应用到大气CO2浓度垂直廓线高精度探测中的稳频部分。通过多次实验表明，该算法提高了可调谐激光器的激光波长调节精度，消除了激光器多次反转调节波长时空回误差对测量精度的影响，弥补了机械转动进行波长调节的不足，对高光谱激光技术的发展有十分重要的意义。

介绍了中国科学院安徽光学精密机械研究所研制成功的我国第一台测量低对流层大气CO2时空分布的拉曼激光雷达系统，选用波长355 nm的紫外激光作为光源，利用光子计数卡双通道采集大气中N2和CO2的拉曼后向散射信号。详细分析了拉曼激光雷达系统的定标方法，提出采用Li7500型H2O/CO2分析仪与拉曼激光雷达系统进行对比与标定，结果显示激光雷达与CO2分析仪数据变化趋势一致性较好，激光雷达具有很高的探测灵敏度与准确性，通过线性拟合水平方向标定误差小于0.2%，垂直方向小于1.4%。由标定关系反演出大气中CO2的时空分布，给出了合肥西郊低对流层大气CO2水平方向0~2.0 km与垂直方向0~2.5 km分布的典型测量结果。