提出了基于双法布里-珀罗干涉仪（FPI）的多纵模米散射多普勒激光雷达技术，分析了探测原理，并导出了径向风速和后向散射比测量误差公式。该技术要求多纵模激光源的纵模间隔与双FPI的自由谱间距相匹配，并将各纵模的中心频率锁定在双FPI周期性频谱曲线的交叉点附近。详细分析了频率匹配误差引起的风速测量误差。在低风速区域，由频率匹配误差造成的风速测量误差增加的百分数E_V随匹配误差的增大而迅速增大；频率匹配误差不变时，E_V随风速增大而缓慢减小；当频率匹配误差小于10 MHz时，E_V将小于5%。设定合理的大气模式和系统参数，对基于双FPI的多纵模米散射多普勒激光雷达的探测性能进行了仿真分析。结果表明：在0~10 km高度、0~50 m/s的径向风速范围内，当距离分辨率为30 m、时间分辨率为30 s、激光发射天顶角为30°时，系统白天和晚间的径向风速测量精度分别优于1.50 m/s和1.02 m/s；在无云条件下，系统白天和晚间的后向散射比相对测量精度分别优于6.57%和4.53%。

以色散偏振光谱检测技术为背景, 着重研究了乳化油颗粒的偏振光学特性及米散射物理模型, 构建了色散偏振度光谱检测系统。 在400~700 nm波长范围内, 分别对四种样品进行了301个波段的光谱反射率采集。 结合贝塞尔函数和汉克尔函数, 推导出了入射光波长与散射光偏振振幅矢量的关系, 提取了一个新的特征参数: 色散偏振度(DODP)。 在暗室条件下, 对乳化油样品ND18和ND75进行测量, 利用色散偏振公式计算出了样品在各测量波长处的偏振度值, 验证了基于DODP值检测乳化油的可行性。 研究发现, 虽然米散射的解是由单个球体的衍射推导而来, 但是只要它们的直径和组成相同, 且彼此之间的距离比波长大, 也同样可以用于任意数量的球的衍射。 在这种情况下, 被不同球体散射的光之间没有相干的相位关系, 总散射能量等于被一个球体散射的能量乘以它们的整数。 当观测平面与入射波电矢量振动方向之间的夹角ϕ=0或者ϕ=π/2时, 散射光分量Eθ(s)或者Eϕ(s)消失。 由于ND18的粒径比ND75的粒径小, 所以ND18的前向散射波瓣较大, 前向散射与后向散射的比值较小。 在相同光照条件下, ND75的多次散射现象要比ND18严重。 根据路径相关矩阵的理论, 多次散射容易引起退偏振, 二次辐射波会在角域内扩散和分布。 因此, 被测乳化油表面产生的散射次数与入射光能的阻尼能力成正比。 由于乳化油表面入射光的能量耗散存在差异, 因此能量耗散率与入射波矢量方向的前向散射振幅的分量成正比, 且乳化油的偏振散射程度不同于入射光的偏振散射程度。 实验结果表明, DODP可以反映出乳化油由多次色散引起的去偏振能力。 由于模拟光源是自然光, 所以计算散射光的偏振参数非常方便, 可以大大缩短数据处理时间, 减小实验误差。 DODP不仅能够识别海水中的乳化油, 而且能够区分不同浓度的污染物, 准确识别出乳化油的边缘扩散。

针对目前国内外现有的体积散射函数测量系统在后向小角度散射测量上的局限性，提出了基于离轴反射式光路的近180°水体体积散射函数测量方法并研发了实验室测量系统。系统采用离轴抛物面反射镜，将后向小角度散射光和入射激光分离，减小了系统后向小角度散射的测量盲区，而且能够获取全方位角的后向小角度散射光信号。选取聚苯乙烯标准粒子用于测量系统定标检验，结果表明，定标后的测量系统能够完成在173°~179.4°范围内水中悬浮颗粒物体积散射函数的测量，角度分辨率为0.01°。经对比分析，体积散射函数测量值与米散射理论值具有很好的一致性，验证了系统测量近180°水体体积散射函数的准确性和可行性。

设计了一种基于米散射激光雷达的大气气溶胶检测系统。依据米散射激光雷达的原理，研究了激光光束与大气气溶胶的相互作用，设计并搭建了米散射激光雷达大气气溶胶检测实验平台，利用Zemax设计了一套具有滤波聚焦功能的光学望远系统。通过对光束进行扩束并利用可调谐式固定装置来增强回波信号强度。实验结果表明，设计的系统具有高的回波信号强度和低的杂散光干扰，能获得超高信噪比的激光回波信号。由此大大降低了后续算法的难度，使测得的气溶胶数据更加准确。