基于气溶胶和云的米散射回波,相干多普勒测风激光雷达可以在晴空环境实现精确的风速探测,已被用于航空安全保障、风力发电、极端天气预警、大气污染监测和边界层动力学研究等领域。然而过去往往把来自降水粒子的回波看作风速探测的干扰信号,忽略了相干多普勒激光雷达在探测降水方面的潜力。本文发展了基于1.5μm相干多普勒激光雷达光谱分析的降水和气溶胶探测技术和应用。提出了基于多普勒谱宽等参数的降水识别方法,完善了基于相干多普勒激光雷达的雨滴谱分布等降水参数的反演方法,并且首次报道和分析了基于相干多普勒激光雷达观测的降水融化层现象。论文的主要工作如下:1.回顾了降水微物理参数和粒子的光散射理论。基于气溶胶、云雾和降水粒子的典型尺寸分布和复折射率参数,使用Mie散射理论模拟计算了它们在0.3～2.5μm波长范围内的后向散射系数、消光系数和激光雷达比等光学统计参数。从理论上论证了激光雷达同时探测气溶胶和降水粒子信号的可行性。2.介绍了自研的300μJ大脉冲能量相干多普勒激光雷达系统。提出针对时变直流噪声的修正算法和稳健的水平风反演方法,消除了对后续参数反演的影响,提高了激光雷达的数据反演精度和弱信号探测能力。此外还分析了频谱展宽的因素,并基于载噪比计算了气溶胶衰减后向散射系数。3.提出基于多普勒谱宽等参数的降水事件识别方法,该方法的准确性和适用性显著高于以往研究中基于垂直速度识别的方法。进而通过分析VAD扫描得到的双峰频谱,在降雨期间同时反演了风速和雨速。4.基于相干多普勒激光雷达的垂直观测数据,借助雨滴下落速度与其尺寸的关系,反演得到了雨滴谱分布。反演中使用的雨滴后向散射截面通过理论计算得到,并考虑了雨滴的非球形效应。通过构建包含了窗效应的气溶胶信号卷积模型,提高了迭代去卷积反演雨滴反射率谱的精确度和稳健性。首次对比了多普勒激光雷达和微雨雷达反演的雨滴谱、平均雨速、雨滴质量加权直径等参数。指出了激光雷达对小雨滴浓度的反演精度高于微波雷达和地面雨滴谱仪。5.首次报道了基于相干多普勒激光雷达的降水融化层探测,其结果得到了微雨雷达和多普勒天气雷达的验证。具体现象包括回波信号暗带、谱宽亮带、偏度符号转变等。通过理论分析解释了由于液态水的吸收效应导致的1.5μm波长激光雷达与过去报道的基于较短波长激光雷达探测结果之间的差异。