相位调制多普勒激光雷达可以兼顾直接探测多普勒激光雷达和相干探测多普勒激光雷达两者的优势。但由于其存在自身频移测量动态范围不足的问题,在实际的应用中受限。为了解决这一问题,提出了一种“星迹图”方法,这种方法是将相位调制鉴频参量进行正交分解,利用他们在二维或三维坐标系中变化的性质来进行信号光频移测量,并对其测量灵敏度和误差进行理论建模。该方法既有效保持了原有方法的优势,又大幅度提高了频移测量的动态范围。理论研究证明,该方法可以将测量动态范围提高约9倍。并在实验上,通过对目标的测量证明了该方法的正确性和有效性。

为了充分利用相位调制信号中的多普勒频移信息,将相位调制信号的直流和拍频分量中的鉴频参量相结合,构造出一个新的鉴频参量。在理论和实验上,通过依次比较表明新鉴频参量继承了相位调制拍频信号振幅多普勒频移测量方法的特点和优势,相比之下,测量动态范围约提高1倍,测量精度约提高6倍。为了有效利用闲置的回波信号光功率,提出了基于新鉴频参量的双边缘相位调制多普勒频移测量方法,在理论上证明其可将测量灵敏度提高1倍。

提出了利用基于LabView可视化语言的虚拟数字锁相技术对相位调制激光多普勒频移测量方法的鉴频参量进行测量的方法，并对其进行了理论与实验研究。为了防止待测信号与参考信号通道间的干扰以及在参考信号传输过程中混入噪声，该虚拟数字锁相技术采用参考信号内部生成的方法。为了保证参考信号与待测信号之间的同频性以获得精确的鉴频参量测量结果，在该虚拟数字锁相技术中引入了虚拟数字锁相环来实时精确捕获待测信号频率。通过利用其对实际信号光相位调制信号的测量，证明了该虚拟数字锁相鉴频参量提取方法的正确性和可行性。

采用带有标准具的Fox-Smith谐振腔产生了稳定可调谐的单纵模TEA CO₂激光输出。对干涉腔反射率的数值模型进行了研究,讨论了失谐角、子腔的匹配等因素对模式选择的影响,并且进行了实验验证。实现了10.6 μm单纵模激光输出,能量140 mJ,重复率达到90％,腔内元件没有受到损伤。

提出一种新的TEA CO₂激光器选单纵模的方法－四臂腔选单纵模。在理论上研究了这种新腔型的反射率的选频特性并预测了其选单纵模的能力。实验中，用此腔型得到了能量达225 mJ稳定的单纵模TEA CO₂激光输出，且单纵模再现率超过90％。

A passively Q-switched side-pumped laser with folded resonator is specially constructed for singlelongitudinal-mode smooth pulse output. Nd:YAG is chosen as the laser active medium and Cr<sup>4+</sup>:YAG as the saturable absorber medium. Additionally, the method of frequency selection by grating with 1200 line/mm and Fabry-Perot (F-P) etalon is used in the twisted-mode cavity. The single-frequency smooth pulses are produced with 10-Hz repetition rate, 20-ns pulse width, and 1.064-\mu m wavelength. The probability of single-frequency laser output measured is over 99% by using the methods of Fourier analysis and F-P etalon multiple-beam interferometry at the threshold voltage. The measured near-field and far-field angles of divergence are 1.442 and 1.315 mrad, respectively. The values of M<sup>2</sup> are 1.32 and 1.31 separately with the knife-edge method. Single pulse at 1.064 \mu m with the energy of 8.8 mJ is achieved in TEM<sub>00</sub> mode.

The wind error of multichannel lidar system is simulated through calculation of atmospheric back-sacttering echo signal and weighted least-square fitting. By comparing the wind errors of four wavelengths of the Nd:YAG laser, two kinds of phenomena are found: when the wavelength is 1064 nm, the wind error is the smallest at all different heights; with the aerosol-molecular ratio descending and finally tending to 1, the statistic error increases sharply, which shows that low aerosol-molecular ratio is quite disadvantageous whatever the signal intensity is.

对图像处理中二维经验模式分解(EMD)算法提出改进。在二维EMD中涉及到像素极值的选取和对极值点进行插值, 在插值过程中会出现边界点变异现象。利用Delaunay三角剖分方法对选取的极值点进行分划, 对不包含在Delaunay多边形内的边界像素采用对称处理, 抑制了3次样条插值过程中边界点变异现象。用改进算法对一幅图像进行EMD处理, 计算得到重构图像与原始图像之间标准差为6.667×10-6, 可见重构图像与原始图像之间的灰度值波动很小。实验结果表明重构图像与原始图像吻合非常好, 论证了这种改进算法的准确性和可行性。EMD方法在图像压缩以及去噪过程中运用越来越广泛, 因此本文的改进算法也将在基于EMD的图像处理中起到提高运算速度的作用。

提出了阈值检测、降噪处理和功率谱估计三种分析和处理水中气泡激光散射信号的方法。利用这三种方法分别对不同散射角时的测量信号进行了处理，得到了水中气泡激光散射强度随散射角的分布特性，并将实验结果与米氏(Mie)理论结果及水的散射强度进行了对比，比较和分析了三种方法的优劣。阈值检测法和降噪处理法分别以平均值和绝对偏差为中心来估计气泡散射强度，它们不能隔离直流分量。功率谱估计法处理得到的气泡角散射特性与Mie理论结果一致，能够区别开气泡散射和水的散射，两者相差近1个数量级。实验结果表明功率谱估计法是最合理的处理气泡激光散射信号的方法。