云和气溶胶是地球大气系统的重要组成部分，对大气环境、气候变化和人类健康有着重要影响。近几十年来，Mie散射激光雷达以其全天候、高时空分辨率和垂直分布探测的优势备受关注，在云和气溶胶特性研究及大气环境监测中获得了广泛应用。本文简要介绍了Mie散射激光雷达的探测原理和发展历程，重点梳理了Mie散射激光雷达中的重叠因子修正、层次检测和信号反演等关键问题的研究进展与挑战，并对相关技术和方法的特点及其适用性进行了探讨，最后对Mie散射激光雷达数据反演的未来研究方向进行了展望。

成像差分吸收光谱技术 (IDOAS) 能够显示污染物的空间分布, 目前已成功运用于地基扫描、机载与星载等多个平台, 为环境监测及治理提供了有力支撑, 其中地基 IDOAS 主要运用于对某一污染源的探测。分析了成像系统基于“推扫”方式的工作原理, 并将此技术应用于城市大气边界层污染物分布的探测。为更高效使用差分吸收光谱技术 (DOAS) 反演各种痕量气体成分, 更精确地分析污染气体的时空分布特征, 对 QDoas 软件进行了源码级分析和优化。在 Windows 平台上, 使用 C++ 和 QT 对 QDoas 代码进行重组, 通过重新提取、整合、改写与优化代码, 实现了更快速便捷的反演功能模块。为检验模块的反演效果, 以大气中常见的污染物 NO2 和 SO2 为例, 于 2019 年 11 月 6 日在铜陵富鑫钢铁厂开展了现场观测实验。使用新编软件对观测数据进行数据反演后成功获得污染气体的二维分布信息图, 证实了该软件在实际大气环境监测中的适用性。

多普勒差分干涉光谱仪是傅里叶变换型光谱仪，在大气风速反演过程中，偶延拓的反演光谱无法直接解出目标谱线的相位，而且在实际测量中反演光谱中含有的杂散光谱线、噪声等，使得复干涉图相位发生变化，最终导致反演风速值的偏差。所以，在对实际噪声环境下测得数据的处理过程中，获取反演光谱相位信息时需要对目标谱线进行提取。针对不同信噪比的干涉图，利用蒙特卡罗方法对不同线宽的不同窗函数的优化反演结果进行分析。结果表明：对于信噪比高于26.5 dB的干涉图，线宽为4~5倍光谱分辨率的高斯窗函数是最优的窗函数优化方式；对于信噪比低于26.5 dB的干涉图，线宽为7~12倍光谱分辨率的矩形窗函数的反演风速值更精确，是最优的窗函数优化方式，可以复原相位信息，反演出大气风速的近似值。

利用非线性回归法结合仪器的传递函数模型对大气风场探测法布里-珀罗干涉仪进行了定标和反演.首先,基于修正的艾里函数建立了仪器的传递函数及气辉响应函数模型;然后,利用稳频激光器对现有法布里-珀罗干涉仪系统进行了实验室定标,获取了定标数据;采用分步非线性回归拟合法对定标数据进行处理,获取仪器传递函数模型参量;最后利用标定的仪器传递函数模型,对不同信噪比、不同风速温度预估输入的法布里-珀罗干涉仪气辉仿真数据进行了风速和温度反演.实验结果表明,在信噪比优于40的情况下,风速和温度反演准确度分别可以达到5 m/s和10 K.

Mach-Zehnder(M-Z)干涉仪可作为鉴频器件应用于多普勒测风激光雷达系统中.鉴于一般M-Z干涉仪的稳定性差，不易于调节的缺点，提出一种基于双棱镜结构的新型双通道M-Z干涉仪作为多普勒测风激光雷达鉴频器件.在进行探测原理分析的基础上，利用光学设计软件对其鉴频系统结构进行了参量优化设计和系统仿真.通过设定实验参量并进行光线追迹模拟仿真实验结果，应用反演理论获得了风速值.利用多普勒频移公式计算获得理论风速并与仿真结果进行了对比，结果表明反演仿真风速与理论风速值基本吻合，标准差为0.46 m/s.此新型双通道M-Z干涉仪可以作为鉴频器件应用于多普勒测风激光雷达系统中，在光路的调节及提高系统稳定性上具有优势.

椭偏法测试薄膜不能直接得到薄膜的光学参数，需进行数值反演算法近似求解。采用遗传算法，借鉴竞争选择、小生境和适应值调节思想，对选择算子、变异算子、交叉算子三个重要算子进行了适当改进，改进后算法有效防止了“早熟”现象，并搜索到了全局最优，降低了操作者对拟合模型设定初值的要求。在实践上，通过3种拟合方式的结果对比，得到了可靠的某条件下制备的类金刚石薄膜的光学常数，验证了改进遗传算法在拟合薄膜光学常数中的有效性。