研制了全光纤相干激光测风雷达系统，该激光雷达系统采用光纤激光器同步触发并发射人眼安全的1.5 μm激光信号，通过全光纤环形链路设计、高像质收发镜头与光楔垂直向上可扫描空间圆锥45°范围，采用双通道高可靠数据采集与处理模块实现对中低空三维矢量风场处理与反演。为满足激光雷达在户外高低温环境（?25 ℃～40 ℃）工作的适应性，对激光雷达系统热源模块进行了系统模型仿真，通过设计并研制热控模块和制冷模块，实现高低温环境工作的可行性。通过激光雷达在室内实验与室外风场标定实验，该激光雷达可测量最高风场高度3 km，风速精度优于0.36 m/s，风向精度优于±5°。

为解决合成孔径成像激光雷达受制于相干天线定理的问题，扩大成像视场，提高相干收发光学系统效率，提出并研制了基于4×4尾纤式微透镜阵列接收的相干收发光学系统，建立了全视场光学系统耦合效率计算模型，完成了高精度的收发光学系统集成装调及系统光学效率测试。结果表明：发射链路与16路接收链路的光轴最优偏差优于4″，中心视场光学系统效率优于73.1%，全视场光学系统效率优于65.5%，可满足激光雷达成像试验要求。

三通道355 nm光学鉴频器广泛应用在星载测风激光雷达回波信号鉴频过程中，是实现双边缘风速多普勒鉴频的核心元件，其指标与可靠性决定了系统的探测精度。研制了基于压电换能器(piezo-electric transducer, PZT)调谐的355 nm三通道标准具鉴频模块，模块有效口径35 mm，峰值透过率75%，自由光谱范围12.5 GHz，半高宽1.7 GHz。通过三通道测试系统对自由光谱范围、半高宽、峰值透过率、调谐系数等指标进行了测试。结果表明：当外部驱动电压为75 V时，峰值透过率分别为0.859、0.878和0.735，半高全宽分别为1.843 GHz、1.882 GHz和1.611 GHz，调谐系数为1.96 GHz/V、1.93 GHz/V和1.88 GHz/V。针对光学鉴频模块3个通道PZT调谐系数不一致的情况，分析出对风速误差的影响范围为±0.1 m/s。通过对闭环控制系统进行测试，该系统可实现对355 nm激光发射频率的实时锁定，解决了光学鉴频模块每次工作状态初始位置不一致带来的问题，提高了风速鉴频精度，可实现锁定时间长达30 min以上，满足了星载测风激光雷达的应用需求。另外，仿真研究表明：当三通道光学鉴频模块间隔变化0.08 nm时，引起的风速误差为1 m/s。

本文分析了固定波长激光掩星差分吸收技术的优点和不足，介绍了可调谐激光直接吸收光谱技术测量原理。分析了最优波长透过率与信噪比的关系以及测量误差与背景光干扰的关系。根据高灵敏度探测器的工作波长范围，选择了6310.915 cm⁻¹、6310.893 cm⁻¹、6310.890 cm⁻¹、6310.8834 cm⁻¹作为吸收的工作波长，同时选择6310.15 cm⁻¹作为参考波长，并对各波长的探测能力进行了仿真分析。通过仿真结果可知，在1 km垂直分辨率下，在5~35 km内CO₂浓度探测误差优于0.9%，7~42 km范围内的探测误差优于0.4%。该技术降低了系统成本和复杂度，有利于星载产品的设计和实现。

通过建立包含体布拉格光栅波长特性的速率方程模型，模拟了不同泵浦功率、体布拉格光栅中心衍射效率和带宽情况下，激光器的波长调谐特性，包括波长调谐范围、激光光谱、能量和脉冲宽度。实验搭建了以体布拉格光栅作为输出镜的激光二极管泵浦Nd：YAG/Cr⁴⁺：YAG激光器，测试了不同体布拉格光栅温度和泵浦功率时的激光波长、线宽、能量和脉冲宽度，实验结果和理论分析结果基本相符。在重复频率为10 kHz，脉冲宽度为40 μs，峰值功率为10.7 W的矩形脉冲泵浦下，通过调整中心衍射效率为70%，带宽为60 pm的体布拉格光栅温度，获得了1 063.77~1 064.48 nm的波长调谐。当体布拉格光栅为50℃时，获得了单脉冲能量为109.5 μJ，脉冲宽度为1.71 ns，中心波长为1 064.432 nm，线宽为38.3 pm，光束质量M²因子小于1.2的激光输出。研究结果可为体布拉格光栅的应用、激光器的光谱分析及设计提供参考。