利用西安地区太阳光度计(POM-02)的观测数据,根据比尔-朗伯-布格定律计算了西安地区的大气气溶胶光学厚度(AODs),将其作为真值与NASA Terra卫星的MODIS C061产品中气溶胶光学厚度的三种反演结果进行了对比,探讨了三种反演算法在西安地区的精确度及适用性,并结合MODIS气溶胶产品统计分析了西安及周边地区气溶胶光学厚度的空间分布和季节变化特征。结果表明: Terra卫星MODIS三种反演算法中DT&DB产品与太阳光度计反演的气溶胶光学厚度相关系数最高(0.92),故MODIS中的DT&DB产品最适用于西安地区,可用于西安地区气候变化以及大气污染等研究。分析关中地区AOD的时空分布特征及其可能原因可知:关中地区气溶胶主要包括人类活动产生的气溶胶和沙尘气溶胶,关中地区气溶胶光学厚度整体呈东高西低的分布趋势,高值中心主要分布在西安、渭南和咸阳等地区;气溶胶光学厚度在西安、咸阳地区春季最大、秋季最小,而在关中其他地区整体呈现春夏高、秋冬低的季节变化趋势。

为了获得大气颗粒物的质量浓度廓线, 提出一种基于多波段激光雷达回波信号的大气气溶胶消光系数与颗粒物质量消光效率相结合的新型算法。 该方法利用覆盖紫外到近红外波段的激光雷达作为遥感探测工具, 获取气溶胶的消光与后向散射系数, 反演得到气溶胶粒子谱分布； 同时, 根据米散射理论算出气溶胶消光效率, 结合粒子谱分布, 提出颗粒物质量消光效率模型, 从而建立基于消光系数与质量消光效率相结合的反演颗粒物质量浓度的新型数学模型与算法。 采用该算法对两组不同天气条件多波段激光雷达实测数据进行反演, 并与地表采用的颗粒物浓度对比, 证明该方法的可行性, 为实现颗粒物质量浓度空间分布的探测提供科学依据和方法论。

出射激光脉冲能量变化对激光雷达的测量数据有很大影响,需对其进行实时、准确测量。 针对激光雷达出射激光脉宽窄、不易实现高频电路采集的问题,设计了一个基于峰值采样保持电路的 脉冲能量监测系统。对脉宽为10 ns、重复频率分别为20、60、100 Hz的模拟脉冲进行了实时监测,结果 表明该系统能很好地检测激光出射能量,没有脉冲遗漏现象。在激光雷达观测实验中,该监测系统输出的 电压值与实测激光脉冲能量有较好的线性关系,为激光雷达数据反演提供了修正依据。

基于激光诱导生物荧光技术, 分别采用紫外355 nm和266 nm激光作为激发光源, 构建生物气溶胶荧光雷达监测系统模型.综合考虑不同激发波段, 臭氧吸收以及太阳背景光等因素对激光雷达荧光探测效果的影响, 对系统性能进行数值仿真分析.仿真结果表明, 在四倍频266 nm紫外波段的激光激发下, 系统受地表臭氧的影响, 白天的有效探测距离非常有限; 在系统信噪比为10(SNR=10), 臭氧浓度为50 μg/L时, 最大探测距离仅为300 m; 而夜间情况下, 太阳背景光影响减弱, 探测距离约为450 m.三倍频355 nm激发时, 臭氧对系统的探测性能影响较小, 夜间探测距离可达750 m; 白天太阳背景光对355 nm的系统影响较大, 在相同0.5 mrad接收视场角下, 其有效探测距离约为330 m.为减少白天背景光的影响, 将望远镜接收视场角压缩到0.3 mrad, 同时选用50 nm带宽的滤光片, 此时系统的探测距离为480 m.由于355 nm波段的激发荧光受白天太阳背景光的影响较大, 在进行夜间探测时才可获得较好的效果; 而266 nm的激发波段可以很好的抑制背景光影响, 能够实现对生物气溶胶的白天有效探测.

生物气溶胶在大气中扩散极易传播和发生各种流行疾病, 也是生物**投放的主要形式, 实现生物气溶胶实时、 远距离的探测显得尤为重要。 构建了一台双波长荧光雷达用于大气中生物气溶胶的预警和识别。 该雷达系统采用Nd∶YAG固体激光器作为激励光源, 基频1 064 nm、 四倍频266 nm作为工作波长。 基于激光诱导荧光雷达探测原理, 对红外波段的弹性散射信号和紫外波段诱导的荧光信号进行数值分析。 结果显示, 在探测误差小于10%的情况下, 距离为1.0 km时, 单激光脉冲测量得到白天和夜晚细菌孢子的最小探测浓度分别为15 100个颗粒·L-1和8 386个颗粒·L-1; 当脉冲数累加到10 000时, 白天和夜晚的细菌孢子最小探测浓度显著改善, 分别为144个颗粒·L-1和77个颗粒·L-1。 分析结果还表明, 通过红外波段确定细菌孢子云团位置后, 为了提高系统对细菌孢子的探测性能, 可增加紫外激光脉冲数量, 延长荧光信号采集时间。

为了评估激光诱导荧光雷达对生物气溶胶粒子的有效探测距离及随生物气溶胶浓度变化的敏感性，在阐述生物气溶胶探测原理的基础上，设计了一台激光诱导荧光雷达。该雷达选用波长为355 nm 的二极管抽运的Nd：YAG 固体激光器作为激励光源，基于脉冲能量、脉冲数量、滤光片带宽、望远镜口径、接收视场角以及生物气溶胶粒子荧光非弹性散射截面积等主要参数，对生物气溶胶荧光回波信号的信噪比进行数值仿真。仿真结果表明，生物气溶胶粒子的质量分数为10-12时，在探测误差小于10%的情况下，系统在白天和夜晚的有效探测距离分别可达1.0 km和7.8 km；而在探测距离定义为0.5 km 时，系统对生物气溶胶质量分数的最小分辨能力，白天和夜间分别为1.8×10-13和1.0×10-14。仿真结果有利于了解激光诱导荧光雷达系统的最优参数设定和最佳的实验环境，进而实现对生物气溶胶的有效探测。

基于光纤Mach-Zehnder干涉仪双边缘检测技术, 提出并设计了一套全光纤非相干测风激光雷达系统, 对多普勒频移的提取和风速反演算法进行了理论分析, 针对大气分子散射信号的特点, 对光纤Mach-Zehnder鉴频系统进行了优化设计.应用美国标准大气模型, 对系统的灵敏度、信噪比以及测量误差进行了数值仿真.仿真结果表明, 对532 nm波长的地基分子散射测风激光雷达, 当垂直距离分辨率为300 m, 进行1 000次激光脉冲累计平均后, 得到径向探测距离达到20 km, 径向风速在±100 m/s的范围内时, 径向风速误差小于1.4 m/s, 说明此系统可以进行远距离大尺度风速的测量, 为新型小型化测风激光雷达的开发及研制提供了一种可行的技术方案.

为了实现大气温度、水汽(相对湿度)和气溶胶的实时同步探测研究，成功研制了一台日常观测的多参数探测拉曼激光雷达，采用高性能二向色镜和窄带干涉滤光片组成高光谱分辨率高效率拉曼分光系统，实现独立5通道大气回波信号的高精细分光和高效率提取，并研发了多参数同步反演算法，获得了大气水汽密度、温度和气溶胶消光系数廓线，结合水汽密度和温度得到了同时刻大气相对湿度的垂直变化特性。利用该系统在晴天和有云条件下对西安局地进行初步实验观测，获得温湿度及气溶胶廓线以及云层内水汽与逆温层的高度关系。实验结果表明，在探测时间15 min和激光能量150 mJ的条件下，系统在晴天条件可实现高度16 km 以下大气温度和湿度的同步探测，在有云条件下系统可实现大气底层和云层顶逆温层的精确探测，并可获得高层云层内和水汽层内大气水汽密度和相对湿度的同步增长趋势。实验数据与当地探空数据的多次随机比对在大气温度、湿度廓线上取得了较好的一致性，充分验证了该拉曼激光雷达实现对流层高度大气多参数同步探测的有效性和系统的可靠性。使用该系统可有效开展区域性大气的观测研究，为大气气候变化以及雾霾生消过程的研究提供可靠的实时探测数据。

小型米散射激光雷达是广泛使用的探测大气气溶胶光学特性的有效工具。 作者研制了一台小型米散射激光雷达, 并利用该激光雷达于2009年4月1日至4月10日期间对宁夏银川地区(北纬38°29′, 东经106°06′)上空的大气气溶胶光学特性以及时空分布进行了观测。 系统选用532 nm波长激光作为光源, 采用Fernald法对接收到的大气回波信号进行反演, 得到了气溶胶消光系数的高度分布廓线及24 h内气溶胶消光系数相对浓度的时空变化特性； 并对期间一次明显的沙尘天气进行了观测和分析。 观测结果表明, 该小型米散射激光雷达能够对大气气溶胶及其时空分布情况进行有效、 连续的观测, 其观测结果有利于分析该地区气溶胶及沙尘天气的变化趋势。

介绍了一台自行研制的用于大气气溶胶光学特性和水平能见度测量的小型米散射激光雷达系统，并进行了一系列观测实验和分析.系统选用532 nm波长激光作为光源，采用Fernald反演算法对接收到的大气回波信号进行反演得到气溶胶消光系数.通过对西安城区上空的气溶胶光学特性进行连续观测，测得了西安城区不同时刻消光系数的高度分布廓线、以及24小时内大气边界层高度的时空变化特性，并对大气水平能见度进行了连续观测，其结果与当地气象部门提供的水平能见度数据的变化趋势基本一致.观测结果表明，利用该米散射激光雷达可以对大气气溶胶光学特性和水平能见度进行有效测量.