基于多光束干涉光谱成像原理，研究一种高空间分辨率甲烷气体点源探测方法。首先，介绍了甲烷气体探测仪的工作原理和探测方案，详细设计法布里-珀罗干涉仪的系统参数，并建立甲烷气体探测正演模型。然后，分析了干涉信号和甲烷浓度之间的对应关系，以及仪器参数对探测灵敏度的影响。最终，迭代优化得到各光学结构参数的最优取值。结果表明，在甲烷探测波段为1 630~1 675 nm，自由光谱范围为12.5 nm，光谱分辨率为0.1 nm，法布里-珀罗标准具腔长为0.08 mm，腔内反射率为97.5%，截止滤光片范围为（1 630±4）nm~（1 675±4）nm时，探测源25%浓度变化对应的干涉信号相对变化量范围为［0.65%，4.30%］，探测灵敏度较好。研究结果可为高精度碳监测提供理论依据和技术支撑。

设计并制作了一种光纤微悬臂梁传感器，由于悬臂梁在受迫振动过程中不会产生拉伸变形，与四周固定的圆形密闭薄膜相比，会产生更高的声波灵敏度。采用飞秒激光加工制作微悬臂梁薄膜光纤声波传感器，制备出长宽均为500 μm，厚6 μm的微悬臂梁结构。通过实验得到其反射光谱对比度为8.8 dB，自由光谱范围为7.72 nm，理论计算得光纤法布里-珀罗腔长为155.6 μm。研究结果表明，该光纤声波传感器在2 200 Hz处出现明显的共振峰，对应的声压灵敏度为414 mV/Pa，在300 Hz时有最大的灵敏度675 mV/Pa，与普通硅橡胶薄膜声波传感器相比灵敏度显著提高。理论计算硅橡胶微悬臂梁光纤声波传感器的一阶共振频率为198 Hz，与实验测得的共振频率较为接近。同时悬臂梁传感器的声压灵敏度可达675 mV/Pa，声压响应线性度为0.994。

针对非本征法布里-珀罗干涉型（EFPI）传感器采用对称三波长解调法检测小信号时可能存在的波形变差问题，提出一种针对小信号的改进的对称三波长解调方法。利用三角函数的小信号近似，得到简化的公式计算求出三路信号的相位差，解决EFPI干涉信号的衰落问题。仿真与实验结果表明，该方法在针对小信号解调方面比现有三波长法具有更高的算法稳定性与更小的误差，同时在低信噪比的场景下对波形具有更好的恢复效果。实验上分别用本文方法和现有方法对相同声波信号进行解调，本文方法解调的信噪比较现有方法高12 dB以上。

提出了基于双法布里-珀罗干涉仪（FPI）的多纵模米散射多普勒激光雷达技术，分析了探测原理，并导出了径向风速和后向散射比测量误差公式。该技术要求多纵模激光源的纵模间隔与双FPI的自由谱间距相匹配，并将各纵模的中心频率锁定在双FPI周期性频谱曲线的交叉点附近。详细分析了频率匹配误差引起的风速测量误差。在低风速区域，由频率匹配误差造成的风速测量误差增加的百分数E_V随匹配误差的增大而迅速增大；频率匹配误差不变时，E_V随风速增大而缓慢减小；当频率匹配误差小于10 MHz时，E_V将小于5%。设定合理的大气模式和系统参数，对基于双FPI的多纵模米散射多普勒激光雷达的探测性能进行了仿真分析。结果表明：在0~10 km高度、0~50 m/s的径向风速范围内，当距离分辨率为30 m、时间分辨率为30 s、激光发射天顶角为30°时，系统白天和晚间的径向风速测量精度分别优于1.50 m/s和1.02 m/s；在无云条件下，系统白天和晚间的后向散射比相对测量精度分别优于6.57%和4.53%。

提出了基于双级联法布里-珀罗干涉仪（FPI）的多纵模高光谱分辨率测温激光雷达技术。分析了该技术的温度探测原理，并据此构建温度探测的理论模型，导出了温度和后向散射比测量误差公式。该技术要求多纵模激光发射源的纵模间隔与双级联FPI的自由谱间距相匹配，并将各纵模的中心频率锁定在前级FPI周期性频谱的峰值位置。详细分析了频率匹配误差和锁定误差引起的温度测量偏差，结果表明：后向散射比越大，相同的频率匹配误差和锁定误差引起的温度测量偏差就越大；频率匹配误差对温度测量的影响大，为保证低层大气温度测量准确，频率匹配误差和锁定误差应分别小于5 MHz和10 MHz。进一步给出了采用FPI腔长粗扫和细扫相结合的频率匹配校准方法和步骤。设定合理的系统参数，对基于双级联FPI的多纵模测温激光雷达系统的探测性能进行仿真分析。结果表明：在0~20 km高度范围内，通常匹配误差和锁定误差引起的温度测量偏差很小，在2 km以上可忽略不计；若出现云层、沙尘等，对应高度的温度测量偏差将会较大；垂直距离分辨率取30 m@0~12 km和60 m@12~20 km、时间分辨率取1 min时，白天和晚间由噪声引起的温度测量误差分别小于3.7 K和3.5 K，后向散射比相对测量误差分别小于0.40%和0.38%。