植被生长状态监测对全球变化与生态系统研究具有重要作用,同时与环境监测、生物多样性保护、农业、林业等息息相关。尤其是农作物监测方面,对于氮的有效利用及减少过量施氮造成的经济及环境危害意义重大。遥感探测技术凭借其全天时、快速、实时、大尺度、高精度监测等特点,在植被生长状态尤其是农作物氮胁迫监测中具有广泛应用。现有遥感技术中,激光雷达作为一种主动遥感探测手段,在植被三维垂直分布特性获取方面,具有其独特的优势；然而传统激光雷达采用单一波长探测,在植被生长状态监测应用中受到一定限制。激光诱导荧光遥感探测,凭借丰富的荧光光谱信息可以较好地用于植被生长状态尤其是氮胁迫监测,并且可以实现胁迫状态的早期探测,具有很大应用潜力。然而,荧光信号较为微弱,往往受杂散光、复杂环境及探测过程等因素影响较大。与目前大多采用稳态荧光光谱进行遥感探测相比,在生物化学领域中己应用广泛的瞬态时间分辨荧光光谱探测技术,信息量更加丰富,并且可以较好地反映荧光随时间的变化。尤其,荧光寿命作为荧光信号的本征参量,受外界因素影响小,应用于遥感探测中稳定性更好、精度更高。本文即结合时间分辨荧光光谱与激光雷达的优势,提出发展新型时间分辨荧光激光雷达并研制了系统原理样机,旨在保留激光雷达植被三维垂直分布特性探测能力的同时,兼具时间分辨荧光光谱探测能力,实现对植被生长状态尤其是氮胁迫的高精度、高稳定性遥感监测。针对时间分辨荧光激光雷达这一新型的主动遥感探测技术,本文主要开展以下理论方法与技术研究：(1)针对农作物不同氮胁迫应用,选取华中地区典型农作物水稻作为实验对象,开展激光诱导荧光特性分析。通过对不同氮胁迫水平的荧光数据处理与光谱分析,选择出氮胁迫最佳敏感波段,用于荧光光谱数据植被胁迫状态监测,为时间分辨荧光激光雷达设计和研制提供重要的理论基础和指导。(2)开展时间分辨荧光激光雷达关键单元技术研究,为系统原理样机的研制奠定技术基础。发射系统采用荧光激发激光与测距激光合束共轴设计,并通过二维扫描实现三维垂直分布与荧光光谱同时探测。接收探测系统采用光栅分光与ICCD探测接收,实现荧光微弱信号的高灵敏度探测。此外,通过第三方触发与非线性多延迟脉冲采样,实现时间分辨荧光激光雷达最佳时序控制。(3)在完成时间分辨荧光激光雷达系统关键单元技术研究的基础上,进行时间分辨荧光激光雷达系统的原理样机的集成和控制研究。此外,还基于ICCD探测的荧光光谱信号,开展时间分辨荧光光谱信号的数据处理与波长强度校正研究,主要分析了探测过程中荧光光谱信号的影响因素,并且针对相关影响开展噪声去除及波长强度校正研究。(4)最后,基于研制的时间分辨荧光激光雷达系统样机,开展植被遥感探测实验,验证时间分辨荧光激光雷达在植被垂直冠层分布和时间分辨荧光光谱两个方面的探测潜力。实验结果表明,时间分辨荧光激光雷达系统既展现出了激光雷达在三维空间探测能力上的传统优势,又展现了其对植被时间分辨荧光光谱的遥感监测能力。此外,基于时间分辨荧光光谱数据开展应用研究,求解荧光寿命,从而更加直观地表征植被的胁迫状态。并且,通过对不同氮胁迫状态下的水稻进行遥感探测,证明了荧光寿命与水稻氮胁迫状态的相关性,展现了时间分辨荧光激光雷达的在植被胁迫状态尤其是氮胁迫监测方面的巨大应用潜力。