激光雷达是将激光作为载波来对目标进行探测,具有较高分辨率以及较强的抗干扰能力,因此在大气风场探测、地理测绘、交通测速、生物医学等领域有着广泛的应用。在大气风场探测领域,激光雷达主要是利用光的多普勒效应来对激光与大气粒子相互作用后的激光频率的变化进行探测,根据探测结果最后通过反演算法获得风场信息。从探测方式上来说,测量多普勒频移主要有直接探测和相干探测两种方式。本论文主要针对这两种探测方式,分别设计了不同的激光雷达控制与采集系统。对于直接探测方式,通常的信号探测模式是使用单探测器,但是单探测器的缺点是会限制测风雷达的动态范围。当探测距离为30km时,电子学系统的线性动态范围要求达到了 5～6个数量级。在这种情况下,只采用模拟采样或单光子计数方式便很难满足需求。为了扩大单探测器下的测风雷达的动态范围,我们设计了一套具有大动态范围的基于单探测器的中高层激光测风雷达读出电子学系统。系统可以同时使用模拟采样和光子计数方式来进行探测。其中,模拟采样方式用于探测近场强回波信号,光子计数方式用于探测远场弱回波信号。同时,为了提高雷达标定的精确度,设计了积分采样通道用于激光能量校准。信号采集后,将模拟采样通道和光子计数通道的数据进行拼接,最后传输到上位机。同时,读出电子学系统的高集成度也可以满足当前测风雷达系统的小型化需求。对于相干探测方式,其目的是为了实现对极微弱激光回波信号的测量。为了提高数字接收机探测极微弱信号的能力,需要一个具有高信噪比的平衡探测器系统和数据采集系统。平衡探测器的主要探测元件为光电二极管,通过一个跨阻放大器来将光电流信号转化为电压信号。由于高带宽跨阻放大器对寄生电容和元器件误差较为敏感,因此光电二极管的结电容会严重影响跨阻放大器电路的噪声性能和信号带宽,不同光电二极管之间结电容的差异将会导致信噪比的下降。由于光电二极管的结电容和反向偏置电压在对数坐标上成线性关系,因此可以通过动态调节反偏电压的方式来改变结电容,从而实现对电路性能的优化。搭建了一个光学系统来对所设计的平衡探测器系统的性能进行测试,测试结果显示,探测器系统的信噪比高于商用探测器的信噪比。对于探测距离为10km的相干测风激光雷达来说,信噪比的提升将会使探测距离提升约1.5km。论文工作的主要创新点:(1)提出了一种全新的2μm平衡探测器的设计方案,大幅提高了探测器系统的信号幅度和信噪比,解决了当前2μm相干测风雷达使用的平衡探测器信噪比较低导致探测距离不够的问题;(2)提出了一种用于保护光电倍增管的分压电路门控设计方案,实现了对光电倍增管输出信号的控制,在实际应用中可以保护光电倍增管不受强光信号的影响;(3)提出了模拟采样和光子计数相结合的设计方案,提高了直接探测激光雷达的探测范围,设计了相应的探测器系统和数据采集系统,实现了探测和采集的一体化设计。