云和气溶胶是地球大气系统的重要组成部分，对大气环境、气候变化和人类健康有着重要影响。近几十年来，Mie散射激光雷达以其全天候、高时空分辨率和垂直分布探测的优势备受关注，在云和气溶胶特性研究及大气环境监测中获得了广泛应用。本文简要介绍了Mie散射激光雷达的探测原理和发展历程，重点梳理了Mie散射激光雷达中的重叠因子修正、层次检测和信号反演等关键问题的研究进展与挑战，并对相关技术和方法的特点及其适用性进行了探讨，最后对Mie散射激光雷达数据反演的未来研究方向进行了展望。

地物精细化分类一直是遥感领域的研究热点之一，也是生物量计算、全球碳循环、能量流动等研究的重要前提。为实现复杂场景下的地物高精度识别分类，本文基于高光谱激光雷达空间-光谱一体化同步获取优势，提出了基于空谱特征优化选择的高光谱激光雷达地物分类流程，构建了多种适用于高光谱激光雷达数据的空谱特征，并通过空谱特征优化选择，确定最优空谱特征组合进而实现高精度地物分类。14类地物分类结果表明，联合多种空谱特征，可优化某些类别因空间结构复杂造成光谱获取准确度不高从而引起的错误分类现象，总体分类精度可达95.57%，平均分类精度为84.37%；基于空谱特征优化选择确定最优空谱特征组合，可有效地消除特征冗余，使得总体分类精度进一步提高1.56%，平均分类精度提高4.36%。基于高空间分辨与高光谱分辨的一体化成像探测优势，高光谱激光雷达技术在地物精细化分类领域极具研究潜力与商业价值。

煤矿开采是最重要的甲烷排放源, 然而其排放清单的准确性很低, 一个关键的原因在于缺乏精准识别和定位该类排放源的能力。近年来, 前沿研究表明可以利用卫星高光谱数据反演高分辨率的甲烷异常, 从而帮助识别排放源。但是, 在地表类型复杂地区该算法会完全失效。针对这一问题, 率先提出一种基于 L1 重加权和迭代收缩阈值算法 (ISTA) 匹配滤波器的算法。利用高分五号 (GF-5) 数据在山西地区的实验表明, 该方法性能显著优于现有的其他方法。实验中, 本方法识别出 23 个甲烷强点源, 这些点源全部位于 TROPOMI 的甲烷高值区内, 且高分辨遥感影像显示这些点源处存在典型的煤矿开采设施。该方法的提出为利用 GF-5 卫星数据在世界范围实现甲烷点源排查奠定了技术基础。

扫描镜是高光谱成像激光雷达的重要组成部件,因此,分析了多面体转镜扫描、振镜扫描、圆锥扫描三种扫描方式,推导了不同扫描方式的轨迹,并结合飞机航迹得到发射激光扫描轨迹与扫描方式的关系。在此基础上,设计了一种用于高光谱成像激光雷达系统的圆锥扫描方式。实验结果表明,在飞行高度为500 m、激光脉冲重复频率为130 kHz、激光发散角为0.3 mrad时,该方式满足视场角等于30°、两个相邻脉冲夹角小于1 mrad的要求。相比其他扫描方式,圆锥扫描可提高激光雷达光斑脚点的密度,为数据的有效采集和地物的精准分类提供了帮助。

提出一种高光谱成像激光雷达系统的光学结构设计,并对系统的光学辐射定标方法进行研究。利用单色仪对出射光的精细扫描,确定高光谱成像雷达每个探测通道的带宽和中心波长。根据高光谱成像激光雷达方程,在实验室定标过程中,不考虑大气对定标的影响,得到系统每一个通道的定标系数。系统定标过程中合成不确定度为0.87%,扩展不确定度(k=2)为1.73%。最后对超连续谱高重复频率激光器出射的脉冲能量进行监测,使该高光谱激光雷达在机载飞行过程中,依据探测器输出的回波信号强度信息,能够实时得到地物的反射光谱信息,进而实现高精度地形获取和地表超精细分类。

为了加强对水稻生长状况的监测, 指导水稻的田间施肥, 提高施肥利用效率, 以增加农作物产量、 提高粮食品质, 实验室搭建了基于激光诱导荧光技术的荧光探测系统, 以研究水稻叶片的叶绿素含量与荧光峰值比之间的相关性。 文中测量样本为水稻分蘖期和拔节期的倒二叶, 栽培地区位于中国江汉平原。 文中先采用凯氏定氮法和相应公式结合测得水稻叶片的叶绿素含量(mg·g-1), 再用搭建的荧光探测系统采集了水稻叶片不同叶绿素含量的荧光光谱(激发波长为355 nm)。 获得了水稻叶片在不同叶绿素含量下的荧光光谱数据库, 定量分析了荧光峰值比F740/F685(荧光谱峰740 nm、 685 nm处的荧光强度比)与叶绿素含量的相关性, 发现叶绿素含量的变化对荧光光谱特性影响明显。 由实验数据分析可知荧光参数中的峰值比(F740/F685)与叶绿素含量呈现很好的线性正相关, 相关系数(R2)在水稻的分蘖期和拔节期分别达到了0.901 3和0.912 5。 实验分析结果表明诱导荧光光谱技术具有方便、 快捷、 无损等优点, 在农作物生长状况的遥感定量监测等方面也具有一定发展潜力。

为了指导水稻的田间施肥, 解决因过量施肥造成资源的大量浪费以及环境污染, 特别是水体富营养化等问题, 搭建了基于紫外激光诱导荧光技术的荧光光谱探测系统, 以研究水稻叶片的氮水平与荧光强度的相关性。 文中先用植物营养测定仪(TYS-3N)测定水稻叶片氮含量和叶绿素含量（样本为水稻分蘖期的倒二叶, 采集于中国江汉平原地区）, 再用搭建的测量系统采集了不同氮水平的荧光光谱。 获得了不同氮水平下水稻叶片的荧光光谱数据库, 分析了荧光光谱参数F740/F685（为峰值740, 685 nm处的荧光强度比）与氮水平的相关性, 发现氮含量的变化对水稻叶片荧光光谱特性影响明显。 通过该实验验证了荧光参数的峰值比F740/F685与氮含量呈明显的线性正相关, 相关系数（r）为0.871　8, 均方根误差（RMSE）为0.076　82。 实验表明采用激光诱导荧光光谱探测技术具有快速无损等优点, 且有一定潜力用于定量测量植被营养元素的含量, 为采用荧光技术对农作物施氮管理提供了支持。

高精度的激光雷达探测对发射波长的精确定标和稳定有极其严格的要求，可调谐激光器进行多次波长调节时存在的激光器空回问题会严重影响系统的探测精度。为此，提出了一种解决可调谐激光器空回问题的算法，得出了通过来回跳转使正负误差相抵消以消除空回误差的方法，并首先将其应用到大气CO2浓度垂直廓线高精度探测中的稳频部分。通过多次实验表明，该算法提高了可调谐激光器的激光波长调节精度，消除了激光器多次反转调节波长时空回误差对测量精度的影响，弥补了机械转动进行波长调节的不足，对高光谱激光技术的发展有十分重要的意义。

多光谱对地观测激光雷达是一种新型植被监测手段，其应用越来越广泛。现有多光谱对地观测激光雷达系统大多采用光栅分光、多通道光敏阵列探测的数据接收模式。单纯地增加接收通道以提高光谱分辨率、增加接收光谱范围会带来数据冗余、系统集成难度大以及成本过高等问题。讨论了如何确定通道数目并通过闪耀光栅以及中心闪耀波长的选取将特征波长调节至合适通道的中心位置；同时，利用基于主成分分析的特征权重波长修正方法，对落在通道外或不在通道中心位置的特征波长进行修正。在不减少植被光谱信息的前提下，此过程可提高信息接收的有效性，还在一定程度上对波长选择理论进行了补充，提高了多光谱对地观测激光雷达系统在实际应用中的适应性。