为研制一台探测距离3km、分辨率10μg/m3的大气NO2廓线差分吸收激光雷达, 以NO2的吸收光谱和激光雷达方程为基础, 通过数值仿真分析了回波信噪比与水平和垂直方向上大气中气溶胶、NO2含量的分布、探测距离和几何因子的关系; 搭建探测大气NO2实验系统, 开展了大气NO2浓度实验观测, 获得水平及垂直高度0.4km～3.0km内的NO2浓度实时分布, 探测分辨率可达4.717μg/m3, 系统稳定可靠。结果表明, 采用两台波长为354.7nm、能量不小于100mJ的Nd∶YAG激光器分别抽运两台染料激光器的方式, 并以C450为染料, 可满足差分吸收探测所需的两束波长为λon (448.10nm)和λoff (446.80nm)、能量为8mJ的输出光束。该方法为实用化NO2差分吸收激光雷达光源的设计及应用提供了理论依据及技术支持。

研制了一套探测低层大气二氧化硫的车载可移动激光雷达系统.该系统选用的差分波长对为300.05 nm和301.50 nm.光源采用两台NdYAG激光器分别泵浦两台窄线宽染料激光器经过倍频来获得.激光经过合束、扩束后与望远镜同轴发射.后向散射信号被近牛顿式望远镜接收后, 通过光电倍增管转换为电信号, 然后被数据采集卡采集, 最后用来反演二氧化硫分布廓线.在淮南地区进行了针对近地面水平探测的外场实验, 结果表明, 在0.8~3.0 km范围内, 当晚二氧化硫浓度在20 μg·m-3上下波动, 气象部门地面仪器结果为18~22 μg·m-3, 实验结果与仪器结果具有可比性.

研制了一台利用大气后向散射信号探测NO2浓度廓线的差分吸收激光雷达(DIAL)。用两台Nd∶YAG激光器分别抽运两台染料激光器，获得测量大气NO2浓度所需的波长分别为λon和λoff的两束激光，通过数据反演获得NO2浓度的水平和垂直分布。实验结果表明，淮南大气科学研究院内大气垂直高度0.4~3.0 km范围内的NO2体积分数在0~2.5×10-8范围内波动，水平距离0.4~3.0 km范围内的NO2体积分数在0~3.0×10-8范围内波动。

根据米氏散射理论，对卷云消光特性、有效激光雷达比与波长之间的关系进行了模拟研究，并基于三波长激光雷达系统于2011年1月至2012年10月在合肥西郊的观测资料，计算了卷云不同波长的有效激光雷达比。理论和实验结果均表明，对三波长激光雷达系统所用的355，532，1064 nm三个波长而言，卷云的消光系数与波长无关，有效激光雷达比随着波长的增大而增大。合肥地区的卷云有效激光雷达比主要分布在10~70 sr之间，它们对应三个波长上的均值分别为(21.0±9.3) sr，(29.4±11.7) sr，(38.1±11.4) sr。355 nm波长的卷云有效激光雷达比秋季最低，而532 nm和1064 nm波长则秋季最高。

双光栅单色仪的透过率函数对转动喇曼激光雷达回波信号的模拟计算、温度反演灵敏度的分析、温度反演公式的选择等具有重要作用。为了研究双光栅单色仪透过率函数的算法，采用一个变量把衍射光斑占出射光纤横截面积的比表示出来，然后利用光斑与光纤横截面是相离、相交还是相切的关系给出了透过率函数，对532nm的双光栅单色仪的透过率函数进行了理论分析与实验研究。结果表明，532nm双光栅单色仪的透过率曲线的中心波长分别为529.0nm,530.3nm,533.8nm和535.1nm,带宽为0.48nm，模拟的回波信号与实测回波信号基本重合,双光栅单色仪透过率函数的计算方法是正确的。

大气CO2是一种温室气体, 在气候变化等领域起着关键作用。基于NDIR技术研制了可用于探测大气CO2垂直廓线的无线传感系统。系统采用电调制型的红外辐射光源、双通道探测器并结合超低功耗单片机实现大气CO2信号的采集与控制。提出采用调制信号周期内扣除信号起伏与背景噪声的方法, 使得本系统具有0.29%的相对测量误差。通过分时工作的方式解决了数字式无线电探空仪中高频发射机对CO2检测电路运算放大器的电磁辐射干扰, 进而实现了气象探空仪与小型化的CO2探测系统的高度集成。通过与地面LI-COR LI7500对比分析, 两者表现出较好的一致性, 24 h测量数据的相关性达0.89, 表明所研制的探测系统的稳定性与准确性。为实现大气CO2垂直廓线的探测提供一种选择。

差分吸收激光雷达是测量边界层臭氧空间分布的一种重要工具。研制了一台边界层臭氧差分吸收激光雷达系统，系统采用Nd：YAG四倍频激光266 nm泵浦H₂/D₂混合气体产生受激拉曼光作为光源，采用牛顿型望远镜接收大气回波，288.9 nm和299 nm的弹性散射信号被分成两路，被光电倍增管转换为电信号，然后通过A/D采集卡采集保存用以反演大气臭氧分布廓线。给出了系统的探测结果以及和臭氧探空仪地对比验证实验。结果显示该激光雷达可以大大降低几何因子的影响，提供0.2~2 km区间的边界层大气臭氧分布廓线。

受激拉曼散射是扩展激光波长的重要方法，但是气体中非线性光学过程对受激拉曼光的影响非常复杂，实验研究受激拉曼光与气体气压及拉曼池耦合透镜焦距的关系是实际应用受激拉曼光的重要手段。设计了受激拉曼实验装置及其测量系统，采用Nd:YAG 激光器的四倍频激光266 nm 作为抽运源，活性气体（H2、D2及H2/D2混合气体）分别被密封在长为100 cm 的拉曼管中，输出的拉曼激光由棱镜分光后用能量计采集保存用以研究拉曼散射特性。给出了H2、D2及H2/D2混合气体的各级Stokes和反Stokes受激拉曼激光能量与气体气压及透镜焦距的关系。获得了217.84~447.15 nm 之间的12 条激光谱线，有效地扩展了拉曼激光的应用范围。研究结果对气体受激拉曼光的实际应用具有十分重要的价值。

利用紫外差分吸收(DIAL)激光雷达对北京南郊对流层低层臭氧垂直分布进行了测量, 将探测结果与探空气球同时测量的结果进行了对比, 取得了较为一致的分布趋势。选择北京南郊地区晴好天气探测的结果进行了统计分析, 结果表明：近地面层内随高度增加, 臭氧体积混合比逐渐减小; 距地面0.5~1.5 km内平均臭氧体积混合比具有明显的日变化趋势, 最大值出现在午后14点左右, 相对太阳辐射最强时刻具有明显的滞后性; 日平均最大体积混合比低于4×10-8, 体积混合比起伏小于±3.2×10-9。

介绍了一种新的CO2探空测量方法。其原理是利用比尔歩格朗伯定律，使用非分光红外法，通过选择合适的红外光源和红外探测器，设计了合理的电路，在定标的基础上将测量的光强转换成CO2浓度，制作出可用于探空测量的实验装置。通过与EC9820型CO2分析仪的地面对比实验，结果表明，连续24 h测量的误差范围在-10×10-6~10×10-6，平均误差为3.76×10-6，验证了设计的可行性，基本满足了大气CO2探空的精度需求，为进一步研制CO2探空仪提供了参考。