为提高激光雷达对小尺度低空湍流的预警率, 提出了一种将下滑道扫描与横向速度结构函数相结合的预警算法。首先, 把下滑道扫描方式下得到的扫描扇区分成多个重叠的子扇区, 采用空间波动法计算每个子扇区的横向结构函数。其次, 将结构函数与Von Karman模型预测的结构函数拟合得到涡流耗散率, 并以国际民航组织规定的湍流阈值来判断湍流强度。使用香港天文台安装在香港国际机场实的激光雷达采集数据进行了实验验证, 结果表明新方法能够检测出纵向速度结构函数未能检测出的小尺度湍流。该方法是有效的, 对于提高湍流的预警率有重要意义。

激光雷达进行大气能见度探测时, 当探测路径上存在云、雾、烟尘或硬目标时, 大气消光系数会在局部发生显著变化, 表现为激光雷达回波信号在原有衰减趋势上出现突变。受此影响, 直接使用现有算法将导致能见度反演精度低或错误反演。为此提出一种将突变点定位、消光系数边界值确定、消光系数迭代反演相结合的能见度反演算法。首先查找、定位突变信号所在位置; 然后剔除突变点, 利用斜率法得到消光系数边界值; 最后基于Fernald法, 以迭代方式反演大气消光系数及能见度。对两种典型大气消光模式的仿真实验表明, 该算法提高了能见度反演精度, 能够获得更为准确的全局能见度。利用自行研制的激光雷达能见度仪实测回波数据也验证了该算法的有效性。

直接探测多普勒测风激光雷达系统大多采用基于Fabry-Perot(F-P)标准具的条纹技术和边缘技术测量多普勒频移。但激光器频率漂移会使得透过率曲线的估计出现一定误差, 为了抑制其影响, 提出了一种基于谱估计的F-P标准具透过率曲线参数估计方法。首先将标准具全量程扫描结果进行重构得到观测矩阵。之后使用MUSIC算法得到透过率曲线的伪谱。对伪谱进行谱峰搜索后, 将得到的谱峰位置进行线性拟合得到自由谱间距。然后将上步的拟合结果代入透过率函数, 利用非线性最小二乘法对其他参数进行估计。在仿真分析的基础上, 采用真实测量数据进行了实验验证。结果表明所提出的方法在扫描步点间隔达到50、信噪比大于10 dB的情况下, 估计差小于1%。该算法扫描时间短, 估计误差小, 具有实际应用价值。

考虑大气透射仪的光源不稳定性以及光学准直及大气环境的动态变化均会对其测量精度产生影响, 本文在高精度导轨上设计了多点移动大气透过率测量系统, 以便提高其大气透过率及消光系数的测量精度。该系统采用可移动测试平台, 运用多点移动测量的方式测量大气透过率及消光系数。基于理论比较了多点移动大气透过率测量方法与传统大气透射仪测量方法的测量精度, 证明了该系统的测量精度高于传统大气透射仪。将该系统与经过良好校正的Skopograph II型大气透射仪在大气环境模拟舱进行了较长时间的对比验证。结果表明, 两套系统具有很好的相关性, 91.93%的数据对偏差在10%以内, 相关系数达0.985 7。在低能见度条件下, 多点移动大气透过率测量系统的测量稳定性优于传统大气透射仪。得到的结果显示: 该系统能够满足大气透过率和消光系数测量对准确性、稳定性和一致性的要求。

提出了一种新的基于斜坡检测的激光雷达低空风切变预警算法,该算法将下滑道扫描与单双斜坡检测相结合。首先，把下滑道扫描方式下获取的激光雷达径向风速投影到下滑道上，进行数据重构。其次，对逆风风廓线进行单斜坡及双斜坡梯度变化的检测并以国际上规定的低空风切变阈值及风切变强度因子判别公式判断风切变。使用香港天文台实际激光雷达数据进行了实验验证，结果表明新方法能够检测出单斜坡未能检测出的风切变。该方法是有效的，对于提高风切变的预警率有重要意义。

针对能见度真值难以确定和能见度仪测量结果难以评价的问题，提出了一种基线长度改变的能见度测量和评价的方法，并采用整体最小二乘拟合方法来降低基线长度的定位误差和透射率测量误差对消光系数的影响，提高了消光系数的测量精度。为验证方法的有效性和评价该方法在不同能见度条件下的测量性能，设计了移动测试平台，在大气模拟舱模拟了一次能见度由高到低持续变化的过程，采用多点多次测量的方式测量了环境的消光系数及能见度。实验结果表明该方法在不同能见度条件下，均有较高的测量稳定性和一致性。确定系数随能见度的降低而增大，能见度大于3000 m 时，确定系数也达到0.9以上，低能见度时可以达到0.99。各种能见度条件下，单位权方差在10^-4~10^-2之间，表明该方法测量的离散性很小，测量精度高，可作为能见度仪校正和标定的参考。

研究了考虑多次散射的卷云几何特征和光学特性反演方法，对反演卷云高度和卷云激光雷达比的方法进行了改进。采用多次散射因子对卷云消光系数曲线进行修正，选取云底及云顶附近高度消光系数变化率的均值求解云层高度修正误差，对微分零交叉法求解得到的卷云高度进行修正，实现了较为精确的激光雷达云层高度反演。采用以边界值处消光系数和卷云光学厚度为约束条件的粒子群算法，求解卷云有效激光雷达比，选用半解析Monte Carlo方法，计算总散射信号与一次散射信号的比值，并结合Platt多次散射因子方程求得多次散射因子，实现了卷云激光雷达比的准确求解。使用Mie散射激光雷达真实回波信号进行了验证。结果表明，该改进方法具有较高的精度，更具应用价值。

在使用经验模式分解(Empirical Mode Decomposition，EMD)对激光雷达回波信号进行去噪处理时，由于信号含有脉冲及间歇等间断事件而产生模态混叠，导致不能很好地分解出有用信号成分，影响去噪效果。针对这一问题，提出了一种形态滤波与EMD相结合的组合算法。首先，使用自适应多尺度形态滤波器作为前置单元，对信号进行初步处理，剔除信号中的间断事件干扰。之后，应用EMD对处理过的信号去噪。采用仿真数据及真实激光雷达回波数据进行了去噪实验。实验结果表明，文中算法相比于直接EMD去噪，在仿真试验中信噪比提高了8.89 dB，均方根误差降低了0.0514；在真实回波数据去噪实验中，6 km以后平均信噪比提高了3.356 4 dB。该组合算法有效地抑制了模态混叠现象，具有良好的去噪效果及应用前景。

针对光纤周界预警系统输出信号的非平稳特性，提出了一种基于总体平均经验模态分解(EEMD)的模式识别方法。预警系统基于Mach-Zehnder 干涉原理，利用4 条单模光纤构成分布式扰动传感器，实时监测周界入侵事件。该方法引用具有自适应性的EEMD 算法将振动信号分解成多个本征模态函数(IMF)。根据不同振动信号能量各异的特点，提出EEMD 能量熵的方法排除非入侵的干扰。最后建立双重支持向量机对入侵信号进行识别。实验结果表明：该方法可以有效排除非人为入侵的干扰，准确识别攀爬、敲击和其他虚警信号，平均正确识别率优于92%，提高了系统的报警识别率，降低了误报率。

为了满足在不良气象条件下, 机场飞机安全起降对能见度的观测需求, 基于后向散射原理设计了一台小型激光雷达能见度仪。该系统采用具有低脉冲能量、高脉冲重复频率的二极管抽运固体激光器和具有低噪声、高量子效率的雪崩光电二极管探测器, 确保了系统的测量精确性;并采用嵌入式计算机作为系统的控制和数据处理核心, 实现了对系统工作时序的控制。经过多次外场测试, 能见度测量数据总体误差小于15%。结果表明, 该系统具有较高的探测精度, 完全满足国际民航组织对于能见度观测设备精确度的要求。