激光雷達主要用於大氣探測、大氣汙染探測、海洋探測、海洋汙染探測、海洋尋找油氣藏和地表探礦等。作為探測方法，對海洋探測可以是機載探測、船頭水面探測和水下探測。對大氣探測可以是星載探測、機載探測和地對空探測。
5.8.2.1 用於大氣探測
激光穿過大氣與大氣粒子相互作用，米（Mie）散射的微分散射幾率（截面）最大，截面值達10-28m2·s-1，比瑞利（Rayleigh）散射和拉曼（Raman）散射的截面高1018和1021左右。因此，大氣中即使是少量的低濃度懸浮塵埃和氣溶膠，也可以根據Mie散射探測來確定它們的成分。Rayleigh散射是大氣原子或分子的彈性散射，因此Rayleigh散射激光雷達適用於中層大氣成分變化的探測。表5.8.1給出若幹氣體分子對入射激光波長1.06μm的Rayleigh散射的後向散射截面。
可見破壞大氣臭氧層的氟利昂系列，Rayleigh後向散射截面是比較大的，可以利用Rayleigh散射激光雷達進行探測。Raman散射是激光作用於物質粒子產生的非彈性散射過程。散射光子與入射光子能量之差決定於散射物體成分，由於散射截面較小，探測靈敏度有限，因此Raman激光雷達非常適用對工廠和汽車排放羽狀的汙染源（10-5～10-3濃度範圍）進行監測。Raman激光雷達在20世紀70年代得到迅速發展，到80年代轉向使用探測靈敏較高的差分吸收激光雷達。
表5.8.1 氣體對1.06 μm波長激光的Rayleigh後向散射截面
Raman散射激光雷達只是接收大氣中被測目標物質粒子的反射回波信號，而吸收激光雷達探測的有用信號是大氣中被探測物質對發射激光束能量吸收。為了探測到吸收信號，壹是探測被吸收後剩余的光通過大氣物質散射返回，另壹是探測散射回波。具體來講，雷達中采用兩束波長稍有差別的激光束，壹束激光波長選在被探測物成分的吸收峰中心，產生最大吸收，壹束波長選在吸收峰外邊緣，產生吸收最小。結果發現，大氣中被探測組分的密度僅與兩通道回波信號強度之比，以及兩波長處的吸收截面之差有關。探測物質濃度的靈敏度有很大的提高，可達10-8～10-6量級。這壹方法的缺點是反射回波仍然依靠大氣分子和氣溶膠，而氣溶膠濃度和分布的變化對回波有很大影響。為此近年提出了“Raman散射-差分吸收激光雷達”，其特點是利用壹束適當波長的激光同時激發大氣中N2和O2分子，而不是依靠氣溶膠的反射，使Raman散射信號比值變化只與汙染物質有關。
目前的差分吸收激光雷達主要用於探測大氣中的SO2、NO2、O3和大氣飄塵（氣溶膠）等汙染成分。圖5.8.2為車載差分吸收激光雷達對排煙工廠區SO2的探測結果。激光雷達距工廠排放源（煙囪高120 m）約1 km，對廠區範圍進行16個方位角水平扇形掃描探測（每個角度1 min），並在不同方向距汙染源150 m處進行垂直方向掃描探測，得到的SO2等濃度分布圖。
圖5.8.2 工廠排放SO2的大氣濃度分布
5.8.2.2 用於海洋探測
激光雷達廣泛應用於海洋科學研究，如探測淺海水深、溫度、海浪、海洋葉綠素、油汙等以及海洋油氣勘查等。
海洋油氣資源遙感遙測的主要方法：壹類為探測太陽光激發的烴類指示物的熒光，壹類為探測激光激發的烴類熒光。要求探測靈敏度達10-9量級，而且還要區分油汙和有機物引起的熒光幹擾。機載激光雷達和船頭激光雷達，以及水下激光雷達被視為主流方法之壹。
據報道統計，存在於江、河、湖、海中不同濃度的各種有機物2000多種，其中許多有機汙染物直接威脅人類健康，或傷害水中生物。各種油類是最常見和數量最大的水體汙染物。海洋汙染的主要是原油、汽油、石油溶劑，以及多種揮發性物質，大都有毒。水中的浮油可以形成亞微米厚的薄膜，因此極少量油汙便能形成嚴重危害。
多年來人們認識到探測和鑒別油汙，是生態環境保護和治理中的重要因素。早在1971年提出的激光誘導熒光探測技術給出了希望，三年後機載激光雷達誘導熒光探測油膜成功。石油產品中包括很多種發射熒光基質，如單環和多環芳香族碳氫化合物以及各種雜環化合物，是激光誘導熒光的基礎。每種基質受激後發射特有波長的熒光，通過探測熒光光譜可以鑒別不同基質的油類汙物。
原油和精煉石油產品（機油）的熒光光譜線，無論形狀還是峰值位置均有明顯差異，足以用來識別油的品種。
激光誘導產生Raman光譜，可以用於探測水面油膜厚度。激光束照射油膜覆蓋的水面，激光透過油膜在水油界面產生水的後向Raman散射光，再次通過油膜被探測器接收，即可精確計算油膜厚度。
5.8.2.3 激光誘導熒光的地表探測
據報道1981年Kasdon在已知有二氧化鈾離子（UO22+）地面的礦化區，用基地激光雷達進行熒光研究，取得了好的效果。1983年Franks等用機載N2激光雷達在105～308 m高空對含煤溶劑、奎寧硫酸鹽及機油的地面進行熒光探測，取得應有的信號。