卫星激光测距（SLR）平均回波光子数是表征系统探测能力的重要参数之一，与激光大气传输特性紧密联系。基于Mie散射理论，结合气溶胶粒子的实际分布情况，提出并利用激光雷达大气修正（LAC）模型计算SLR系统平均回波光子数，以长春站60 cm SLR系统为例，分析气候条件对SLR系统平均回波光子数的影响。结果表明，SLR系统平均回波光子数随地表附近能见度增大而增加，随相对湿度增大而减少。当望远镜俯仰角大于15°时，能见度对平均回波光子数的影响将超过相对湿度，并且在俯仰角为60°左右时达到峰值。阐述了气候条件影响SLR探测性能的内在机制，并为SLR系统选址与性能评估提供了新的理论方案和技术支持。

钠信标激光器与钠原子间的耦合效率是其性能评价的核心指标之一, 为对钠信标激光器的激发效率实现精确测量, 在云南丽江1.8 m望远镜上搭建了一套完整的激光钠信标测光系统, 该系统由钠信标激光器、激光中继光路和激光发射望远镜、钠信标接收望远镜、钠原子激光雷达、大气视宁度测量仪等组成。自2011年以来利用该系统对中国科学院理化技术研究所20 W级百微秒脉冲激光器所产生的钠信标进行了相应的测量标定, 成功得到了半高全宽最小为3′(对应到90 km高度处为1.3 m)的钠信标图像, 并测量了在不同的出光功率、偏振状态和中心波长下钠信标的回光结果。实验中分析了滤光片、CCD量子效率曲线等在对钠信标测光时的影响, 对所产生的钠信标回波光子数进行了精确标定, 并提出了一种钠信标V星等的计算方法; 在19 W出光功率, 圆偏光状态下获得了最亮的钠信标, 其在大气层上空的光子数流量为9.55×106 photons·s-1·m-2, 对应7.4 V星等。

基于大气湍流中的光传输理论，并利用与实际大气湍流更为接近的间歇性湍流的She模型,得到了适用于Kolmogorov大气湍流、间歇性大气湍流的光束长期项扩展和短期项漂移的近似解析式；结合激光测距方程，利用Matlab软件计算了低轨卫星、高轨卫星和月球的测距回波光子数，分析了大气湍流的间歇性对激光测距回波光子数的影响。结果表明，大气湍流的间歇性越大，测距回波光子数越多；回波光子数在间歇性大气湍流与无湍流情况下的比值约为1/20。

提出了将超导纳米线单光子探测器(SSPD)应用于空间碎片激光测距的构想，并通过理论分析和等效外场实验进行了可行性论证。根据SSPD 在门控时间内允许多次测量的特性，建立了信噪比随回波光子数的变化模型，并考察了激光器发射重复频率、天光背景噪声强度、探测器暗计数率等参数对信噪比的影响，结合回波光子数方程和噪声强度，以云南天文台激光测距系统为例，推算出该系统具备探测830 km 处米级大小空间碎片的能力。结合光纤耦合条件，设计了以太阳能板为目标的外场实验，通过改变光学系统透过率，获得了信噪比随回波光子数变化的实验曲线，验证了利用信噪比变化推测系统作用距离方法的有效性，理论和等效实验结果均表明超导纳米线探测器有望实现空间碎片激光测距。

采用光传播数值模拟的方法，研究了长脉冲、短脉冲和连续波圆偏振激光传播至钠层并激发钠信标回波光子的分布及变化情况，并比较了Greenwood和Hufnagel-valley5/7（HV5/7）两种大气湍流模式下回波光子在钠层的分布及光子数的差异。结果表明相对于Greenwood湍流模式，长脉冲、短脉冲和连续波圆偏振激光在HV5/7湍流模式下传播至钠层的光强分布分散性增强且光强分布的峰值受到削弱；长脉冲和连续波激光与钠层作用可激发更多的回波光子，但是短脉冲激光却不能激发更多的回波光子。而且在两种湍流模式下短脉冲和连续波激光激发的光子数分布与光强分布具有很好的一致性，而长脉冲激光激发的光子数分布却没有这种特点。