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。

对基于衍射光学系统的激光雷达的波束展宽方法和作用距离进行了分析，介绍了实验样机的研制情况。根据实际激光雷达的成像特点并结合宽幅成像的需求，提出了离焦扩束、加柱面镜扩束以及基于衍射镜的波长变化扩束3种接收波束展宽方法，进行了仿真计算并给出了实验样机的部分测试结果。给出了扩束情况下激光雷达的作用距离表达式，同时讨论了模数转换（AD）采样量化对接收信号采样的影响，明确了接收扩束产生的增益下降可由电子学放大器来弥补的观点，并结合实际数据给出了验证结果和分析结果。

分析了用于对地成像的天基合成孔径激光雷达(SAL)系统指标,采用10 m口径膜基衍射光学系统以满足功率口径积的要求,用合成孔径雷达相控阵天线模型分析了器件参数和衍射光学系统的波束方向图。针对大口径衍射光学系统存在的孔径渡越问题,提出了基于数字信号处理的高距离分辨率信号补偿聚焦方法。研究结果表明:10 m衍射口径天基SAL系统有可能对远距离特定目标进行高数据率、高分辨率成像跟踪,该技术的实现具有一定的可行性。

根据全光纤激光雷达特性设计与优化发射和接收光学系统。针对全光纤激光雷达光学系统中的激光高斯传输特性、扩展目标特性和光纤收发特性，修正激光雷达方程中的发射天线增益和目标反射截面，引入光纤接收效率参数。修正后的发射天线增益与目标处光斑大小的平方成反比，漫反射目标的雷达反射截面取决于目标反射率和激光入射角。实验探究了回波功率与接收光纤芯径的关系，得到了最佳光纤芯径。修正后的激光雷达方程可准确计算光纤收发条件下激光的回波功率，为后续的信号处理提供精确的理论支持。

最大探测距离是表征光子雷达性能的重要参数，本文利用盖革模式雪崩光电二极管阵列对直接探测脉冲光子雷达的最大探测距离进行了研究。从激光雷达方程出发，根据盖革模式雪崩光电二极管阵列探测像元中回波激发初始电子数的泊松统计模型和系统最小可接受探测概率条件，建立了光子雷达的最大探测距离理论模型。利用光子雷达系统设计参数，研究了对最大探测距离产生影响的五个主要因素。研究结果表明发射激光脉冲能量越高，噪声越小，回波位置在距离门中越靠前，大气传输系数越大，目标反射率越高，获得的最大探测距离越大；使用脉宽为 5 ns，脉冲能量为 50 μJ的激光脉冲，最小可接受探测概率为 0.9时，可获得大于 1 km的最大探测距离；同时，选择合适的系统最小可接受探测概率对系统探测性能的改善十分重要。

分析了用于测云的最佳激光雷达波段,给出了计算雷达方程所需的大气分子 和气溶胶消光系数的垂直廓线模拟图,以及在小孔光阑存在的情况下同轴透射式测 云激光雷达的几何重叠因子模拟图,使用拟定的大气探测激光雷达技术参数进行回 波信号及其信噪比的模拟计算,分析脉冲发射能量、脉冲发射次数、滤光片半宽等 对信噪比不同程度的影响。这对分析测云激光雷达的探测性能具有基本的意义,同 时也为测云激光雷达技术参数的确定提供了理论上的分析依据。

针对机载激光雷达信号Fernald前向反演方法要求准确得到标定值的问题, 提出了一种新的定标方法：在机载激光雷达探测得到的各条大气回波信号廓线中, 使用一条已知其大气气溶胶后向散射系数垂直分布的廓线, 通过机载激光雷达方程来确定出其他各条回波信号廓线上的大气气溶胶后向散射系数标定值。模拟分析和实验验证了这种定标方法的可行性, 用其标定值反演出的大气气溶胶后向散射系数垂直廓线是较为合理准确的; 误差分析表明由该定标方法反演的大气气溶胶后向散射系数相对误差在20%以内。这种定标方法是可以运用于机载激光雷达信号Fernald前向反演的。

提出了合成孔径激光成像雷达(SAIL)的一种统一的工作模式, 即激光雷达运动的同时进行光束扫描。同时推导了点目标激光雷达方程, 据此还定义了SAIL二维数据收集方程, 二维数据收集方程组是合成孔径激光雷达的数据产生和收集过程中的完整数学表达, 并给出了统一模式的二维数据收集方程。从统一工作模式可以分解出条带扫描模式、聚束模式、滑动聚束模式和光束扫描模式, 及其相应的简化二维数据收集方程。上述的光束扫描模式是一种激光雷达和被观察面之间相对静止而只采用光束扫描实现孔径合成成像的新方法, 具有特殊的应用范围。

介绍了利用条纹管作为探测器实现紫外激光成像的技术方案,阐述了条纹管紫外激光成像的工作原理,设计了核心器件的技术指标,理论分析了整个系统的性能,重点计算了激光成像系统的探测距离,理论证明了条纹管紫外激光成像系统的技术可行性.

利用小角近似方法,分别给出了单次和多次后向散射激光雷达方程.通过引入的多次散射评价参量,分析了接收视场角和光学厚度等因素对多次后向散射信号的影响.理论研究表明:多次后向散射主要与接收视场角和光学厚度密切相关,当接收视场角比发射视场角大10倍,光学厚度超过3时,多次后向散射信号逐渐增大并占主要优势,当接收视场角比发射视场角大100倍时,光学厚度超过1时,多次后向散射信号开始明显增强.