微脉冲激光雷达技术是大气气溶胶观测的重要手段, 当使用紫外激光光源时, 可利用激光诱导荧光信号探测环境中的有机气溶胶。建立了微脉冲荧光激光雷达水平探测有机气溶胶的仿真模型, 并对回波光子数及信噪比进行了数值仿真计算。根据仿真结果设计并搭建了一台微脉冲荧光激光雷达, 通过对系统进行几何重叠因子标定, 减小了近场荧光回波信号的强度误差。以营养肉汤溶液为气溶胶样本对该激光雷达系统开展了测试实验, 实验表明该MPFL系统空间分辨率为7.5m, 实验最大探测距离达到200m。同时与另一台低重频高脉冲能量的荧光激光雷达进行了对比实验, 对比结果显示, 两型激光雷达接收的荧光信号强度变化趋势具有很好的一致性, 相关系数达82%以上。在相同的累加时间下, MPFL荧光信号变化率矩阵标准误差小于0.02%, 具有更好的抗干扰性能, 能够实现对有机气溶胶准确探测, 验证了系统有效性和实用性。

在理想的洁净大气条件下，微脉冲激光雷达后向散射信号强度具有随高度单调变化的特征。提出了一种基于插值重构方法的云层垂直结构反演算法，以探测距离最低处和最高处为起点和参考点，筛选预处理信号中相应的插值点进行Akima插值。将得到的前向和后向重构信号进一步作平均处理以模拟无云信号。所提算法先结合自适应阈值与经验阈值区分云和气溶胶，确定候选云层区间，再在此基础上，对比模拟的无云信号与预处理信号强度，提取候选云层的云底和云顶高度。利用微脉冲激光雷达数据进行的验证表明，相比于直接反演的传统算法，所提算法的云底和云顶高度的相关系数分别提高至0.9836和0.9334，均方根误差分别减小至43.8 m和280.2 m，有效提高了云层检测的精度。

运用微脉冲激光雷达对气溶胶的垂直分布特征进行遥感观测逐渐普及，但传统观测往往局限于固定站点，无法反映区域内气溶胶整体分布情况。该研究以石家庄市为中心，运用车载便携式激光雷达对城市内部及其周边区域开展大气环境立体走航观测，绘制出气溶胶三维空间分布信息。结果表明：(1) 该地区大气污染受地形影响，西侧太行山阻断了汾河盆地的气溶胶输送，气溶胶于太行山东麓的山前低地汇聚，向东至广阔的平原扩散开；(2)石家庄东北至南部形成气溶胶汇聚区，其聚集程度由东北向南逐渐增强，此外太行山与燕山走向的西北部分的清洁区与污染汇聚区有明显分界；(3)石家庄市区外环线的气溶胶垂直扩散能力强、颗粒物不规则度较高，可能存在多源混合，市区气溶胶聚集高度的空间方位差异可能由污染源分布的不均衡所致。

2017年11月1日~2018年5月15日在济南市泉城广场空气质量监测点位开展微脉冲激光雷达水平探测，实验期间能见度、常规污染物浓度以及PM2.5化学组分同步观测，定义能见度仪所在处为参考层处，采用Fernald方法计算水平气溶胶消光系数，进一步利用线性回归模型建立PM2.5浓度、消光系数、PM2.5化学组分之间的关系式，通过趋势比对、相关系数和标准化平均偏差研究该关系式的反演精度。结果显示：结合能见度仪反演消光系数更为准确；反演的消光系数与PM2.5质量浓度之间具有较好的正相关关系(相关系数R=0.75)，同时消光系数、PM2.5质量浓度均与PM2.5化学组分中的SO■■、NH■■ 、OC、NO■■、EC有较高的相关性，利用线性回归模型建立PM2.5浓度、消光系数、PM2.5化学组分之间的关系式，该定量关系式反演的PM2.5质量浓度与实际监测值在趋势上基本一致，二者相关性较好，相关系数为0.83。标准化平均偏差为18%，相对偏离程度较小。

2017年7月至8月,使用微脉冲激光雷达与小型气溶胶后向散射探空仪在昆明开展了一个月的气溶胶垂直结构联合观测实验。对比2种仪器同步观测方法与探测后向散射比结果的异同,分析激光雷达和后向散射探空仪测量获得的气溶胶垂直分布特征。探测结果表明,两者具有较好的一致性,在1~4 km高度范围内,排除云层干扰后,2种仪器后向散射比测量结果的相关系数为0.87,方均根误差为0.752;观测实验表明,研制的微脉冲激光雷达为连续探测气溶胶垂直结构演化过程提供了有效手段,融合后向散射仪探空数据,可以减少微脉冲激光雷达数据反演中的假设参数,开展两者联合观测具有一定应用价值。

提出了一种基于激光脉冲距离权重函数的湍流风场速度估计的方法, 可以解决多普勒信息探测晴空湍流风场中精细化的风速测量问题。算法以划分的距离门为单位对速度值进行空间平均, 将各距离单元速度与激光脉冲距离权重函数进行卷积运算得到风速的局部估计值。并考虑高斯激光脉冲在湍流风场中的有效空间展宽传输特性, 根据直接选取距离门中心位置的速度估计方法和快速的线性平均近似方法的处理过程, 引入激光脉冲的传输特性来表达湍流径向风速的统计平均值, 以实现湍流风速的测量以及激光雷达在探测湍流上的应用。实验结果表明, 在有明显湍流条件的风场环境中, 脉冲距离权重方法比线性平均方法在保留真实风场属性的前提下具有相对更小的速度标准差, 显示出较好的风速修正效果, 提高了激光雷达对湍流风场的测速性能。

针对纳秒量级脉宽机载多脉冲激光照射目标的回波波形，提出几何分割比这一目标姿态不敏感特征，给出了特征提取算法，可用于与激光目标运动状态结合开展目标检测与跟踪。首先，基于激光目标波形数学模型分析目标波形与目标特征的关系，指出激光目标的几何分割比特征具备姿态不敏感特性。接着，结合目标特征提取对目标波形和噪声不失真分离的要求，提出在小波域利用对称小波基进行改进Donoho 阈值降噪处理，在时域利用小波重构信号阈值获取目标波形序列，再由一阶二阶差分计算检测目标波形峰值点，进而提取激光目标散射中心及几何分割比等特征。最后，通过仿真实验验证算法在低信噪比下提取激光目标特征信息的有效性。在与机载多脉冲激光目标模拟器联试实验中，利用文中算法提取激光目标特征结合目标的运动状态信息，开展多帧相关匹配检测，多脉冲激光目标检测的可靠性明显提高。

为了探测云边界, 采用毫米波雷达（MMCR）和微脉冲激光雷达（MPL）联合观测的方法, 观测了层积云、高层云、高积云和卷积云个例, 并对比分析了两部雷达探测到的云边界的差异。结果表明, 通常MPL探测的云底高度高于MMCR; 其中在高层云个例中, 二者相差最大, 其它个例中, 差别较小; 云粒子对毫米波电磁波和激光光束的散射机制的不同以及两个设备判定云边界方法的不同是差异产生的主要原因。对于云顶的小粒子和云内的小冰晶, MPL的探测能力强于MMCR; 但对于发展深、厚的云层, MPL会因衰减的影响探测不到真实的云顶, 而MMCR可以探测到完整的云层。

微脉冲激光雷达是探测气溶胶的有效工具.为了验证探测的准确度,对一台微脉冲激光雷达观测数据采用Fernald算法进行反演,得到了南京北郊上空的气溶胶光学厚度,并将反演结果同太阳光度计观测数据、喇曼-瑞利-米雷达观测数据和中分辨率成像光谱仪的标准气溶胶产品进行了比较.结果表明,它们之间具有一定相关性.微脉冲激光雷达是反演气溶胶光学厚度的有效手段,可以用于其它观测手段的地面验证.

建立了光子计数器的模型, 对光子计数器的死区时间效应进行了理论分析和实际测量, 并提出了校正光子计数效应对微脉冲雷达信号影响的方法。利用马尔科夫链对微脉冲雷达的探测过程进行理论分析, 并利用MATLAB对死区时间对光子计数产生的影响进行了计算和分析, 描述了计数死区对探测结果产生的瞬态形态变化。在此基础上, 搭建了微脉冲激光雷达光子计数的测量平台, 实验验证了死区时间对于光子计数采集的影响。最后, 测量了不同光强下死区时间对探测结果的抑制情况, 给出了微脉冲激光雷达信号的校正方法。 基于提出的方法对真实微脉冲激光雷达信号进行了校正实验。实验结果表明: 在峰值功率为100 mW的405 nm激光照射下, 光子计数在采集频率100 MHz时的散射光计数效应减少了50%。文中的方法较好地解释了小尺寸目标的探测信号形态, 实现了对光子计数探测结果的校正。