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多普勒激光雷达测量大气风场主要有两种技术：直接探测技术和相干探测技术。直接探测技术能够同时利用气溶胶和分子的散射信号测量大气风场，而相干探测只能利用气溶胶散射信号。从全球风场测量来看，直接探测多普勒激光雷达技术相对相干探测技术来说存在一定优势。本文对直接探测的主要光学鉴频器技术进行了理论分析和比较，考虑到高低空不同风速测量动态范围、气溶胶和大气分子不同密度分布以及光电接收探测器效率，提出了一套直接探测激光雷达系统，同时采用了直接探测的两种主要光谱分析方法，条纹图像技术和双边缘检测技术，分别分析气溶胶和大气分子散射信号的多普勒频移，来测量边界层和中高空大气风场。条纹图像技术采用了多光束菲索(Fizeau)干涉仪和线阵光电倍增管(PMT)探测器，双边缘检测技术采用双法-珀(DFP)干涉仪和双通道PMT探测器。本论文重点对拟研制的车载直接探测多普勒激光雷达接收系统进行系统的理论分析，并重点对接收光学系统、干涉仪系统进行了优化设计，并研制出相关的单元部件。
根据车载激光雷达系统的要求，本文设计和研制了直接探测多普勒激光雷达光电接收系统，望远镜接收信号耦合到小数值口径的紫外光纤，将接收的信号光均匀化，消除了距离准直效应。采用偏振技术来分离气溶胶和分子信号两个通道，提高了系统光学接收效率。优化匹配了望远镜和干涉仪系统的接收效率，得到了系统的优化接收参数。根据DFP干涉仪和Fizeau干涉仪的不同光谱分辨率要求和多普勒频移反演方法，对两个干涉仪的入射光准直性要求进行了分析。详细研究了DFP和Fizeau干涉仪实际的光谱特性，从满足一定风场测量精度和高度分辨率要求出发，优化设计了DFP和Fizeau干涉仪，得到了优化的干涉仪参数。
利用实际建立的激光雷达系统参数和模型大气参数，对两个干涉仪测量大气风场的灵敏度、信噪比和风速测量误差进行了计算，模拟结果显示本系统能够满足大气风速测量要求。研制出高精度的DFP和Fizeau干涉仪系统，用Zygo干涉仪测量了表面光学质量，达到预定设计要求λ/100的表面不平度。设计并制作了干涉仪机械固定装置和精密温控装置，使得温度对风速的影响减小到0.34m/s以内。建立了干涉仪实时扫描系统，用连续HeNe激光和脉冲近紫外的355nm激光测量了实际干涉仪的光谱特性，对相关参数进行了标定，基本上满足设计要求。
本论文的工作对系统的研制奠定了理论和实验基础，对系统的建立有直接贡献。