大气边界层是地球大气层的底层。大气边界层高度作为边界层结构的重要表征,是中小尺度气候、天气以及大气污染预报模式中的重要输入参数。边界层高度的探测主要依赖于将大气参数作为示踪物,例如气溶胶浓度或湍流强度。相干多普勒激光雷达作为主动式大气参数遥感设备,在边界层高度探测领域具有广阔的应用前景,但是问题依然存在,其一是在长期观测或恶劣环境中边界层高度探测的稳健性问题,其二是用于反演混合层高度的湍流动能耗散率阈值在不同对流天气条件下的适用性问题,其三是大气湍流本身对激光雷达系统性能的干扰及其带来的边界层高度探测误差。针对这些挑战,本论文开展的主要工作如下:1.提出基于相干多普勒激光雷达探测大气边界层高度的稳健方法。利用两台相干多普勒激光雷达同时探测边界层高度,仅一台配备稳定性控制子系统,将其边界层高度探测结果作为参考,对比观察另一台采用哪一种示踪物时能够稳健地反演边界层高度。相干多普勒激光雷达观测数据中的载噪比表征气溶胶浓度、湍流动能耗散率表征湍流强度,均可以作为边界层高度的示踪物。本文将边界层划分为混合层和稳定边界层（残留层）,分边界层种类对两台激光雷达的边界层高度探测结果进行统计比较,找出不同边界层内适合采用的示踪物,形成稳健方法。结果表明,采用湍流动能耗散率作为示踪物能够实现混合层高度的稳健探测,采用载噪比作为示踪物能够实现稳定边界层高度和残留层高度的稳健探测。2.发现用于反演混合层高度的湍流动能耗散率阈值在本次观测中不随对流强度变化。湍流强度可以用垂直速度方差或湍流动能耗散率来表征。已有研究表明,用于反演混合层高度的垂直速度方差阈值随对流强度变化,限制了基于湍流强度反演边界层高度的应用场景。本文为了研究湍流动能耗散率阈值在不同对流天气条件下的适用性,在中国不同气候地区（中温带草原地区、亚热带城市地区、热带海洋地区）选取了三个典型地点展开地基观测实验。实验发现,本次观测期间,湍流动能耗散率阈值不随对流强度变化。采用该阈值,还利用船载激光雷达实现了海上大气混合层高度的航行探测,并对混合层高度昼夜变化的海陆差异进行了初步的统计分析。3.研制了一种基于相位调制技术的双频相干多普勒激光雷达。为了降低大气湍流对边界层高度探测的干扰,采用双频相干多普勒激光雷达作为探测设备是很有吸引力的选择。本文采用基于双向电光相位调制的Sagnac环产生的双频相干多普勒激光雷达所需的双频激光,并通过硬目标测速实验证明了系统性能,下一步预计将应用于测风。