激光诱导击穿光谱(LIBS)因其无需制样、 样品损伤小、 可在线检测以及检测速度快等优点被广泛应用。 激光诱导等离子体是一个十分复杂的物理过程, 受多种因素的影响, 激光入射角是其关键影响因素之一。 脉冲激光入射角的改变会直接改变脉冲激光在样品表面的聚焦光斑形状, 导致脉冲激光照射在靶材表面的功率密度发生改变, 直接影响到脉冲激光诱导等离子体过程, 脉冲激光与靶材法线所成角度的改变还会直接影响等离子体扩散过程。 尽管脉冲激光入射角是激光诱导等离子体过程的关键影响因素之一, 但是在低压环境下, 脉冲激光入射角对激光诱导等离子体过程的影响研究较少, 对激光等离子体的影响仍不明确, 对激光等离子体影响的内在机制还需更加深入的研究。 首先研究了激光入射角对脉冲激光在靶材表面形成的聚焦光斑的影响, 实验和仿真的结果都表明脉冲激光在靶材表面的聚焦光斑尺寸随着入射角的增大而增大, 导致相同激光能量下脉冲激光的功率密度下降; 其次, 采用同轴成像的方式研究了不同气压下激光入射角对激光等离子体的影响, 实验结果显示激光等离子体中心辐射强度会随着入射角的增大而减弱。 当激光入射方向与靶材表面法线成0~15°时; 脉冲激光入射角对激光等离子体中心辐射强度影响较小, 辐射强度降低仅为3.05%, 当激光入射方向与靶材表面法线成60°时, 辐射强度降低可达25.415%, 对激光等离子体中心辐射强度有着较为明显的影响。 最后, 对处于气压10-4 Pa下激光从不同角度入射所产生的激光烧蚀坑进行了微观结构分析, 分析结果表明靶材烧蚀量会随着入射角的增大而增加, 但靶材烧蚀效率, 即单位光斑面积靶材烧蚀量, 则会随着入射角度的增大而下降, 这解释了激光等离子体中心辐射强度随入射角增大而减弱的现象。 该工作有助于理解激光入射角对激光等离子体的影响, 为优化LIBS实验参数提供参考。

提出一种基于绝对中位值偏差（MAD）的光流计算方法，并用于计算近地面大气湍流折射率结构常数Cn2。通过光流计算捕捉望远镜系统拍摄的前后多帧目标图像的抖动信息，得到传输路径上的到达角起伏方差均值，从而估算近地面大气湍流折射率结构常数。通过在合肥市进行了为期6天的观测实验，将模型估计的Cn2均值与观测路径上温度脉动仪的实测结果进行充分对比，最终得到估算值与实测值的平均偏差（BIAS）、方均根误差（RMSE）、相关系数分别为-0. 0202、0. 2391、0. 8230，充分证明所提方法可以有效估算近地面大气湍流折射率结构常数，为基于图像反演大气湍流参数提供参考。

利用温度脉动仪在近海面测量的大气折射率结构常数Cn2，结合集合经验模态分解（EEMD）获得不同时间尺度的本征模态函数（IMF）分量，对IMF的周期进行分析，结果表明IMF的平均周期存在较高吻合度的自然指数关系，根据大气湍流各态历经性可以得到其空间尺度特征。对得到的IMF分量进行Hilbert变换，得到IMF在各自中心频率的瞬时波动情况，同时得到常规气象参数与Cn2的Hilbert-Huang变换边际谱。结果表明，对比传统的快速傅里叶变换（FFT），Hilbert-Huang变换更能体现出光学湍流的频谱分布特征。分析了不同层结的常规气象参数与Cn2的相关性，进一步认识近海面光学湍流时空特征。研究结果为海洋环境下激光传输提供一定参考价值。

大气光学湍流是与光电工程系统设计、应用密切相关的基本参数。通过仪器实地测量大气光学湍流廓线时会受到人力、物力、财力等多种条件的限制，因此依据常规气象参数估算大气光学湍流强度具有十分重要的意义。提出一种结合遗传算法的反向传播（GA-BP）神经网络。首先，基于Tatarski大气光学湍流参数化方案，利用HMNSP99外尺度模式估算了大气光学湍流廓线；其次，尝试基于实测数据训练BP神经网络，并结合遗传算法估算大气光学湍流廓线。将两种方法估算的大气光学湍流廓线与实测的廓线进行对比，结果表明：GA-BP神经网络模式估算值与实测值的均方根误差（RMSE）比HMNSP99模式的RMSE小，表明利用GA-BP人工神经网络模式估算大气光学湍流廓线是一种可行的方法。

根据相干测风激光雷达实际探测光路的传输过程和大气分层理论,建立了相干测风激光雷达的全流程系统仿真模型。基于现有系统参数,分别在常风速模型和美国宇航局(NASA)阵风模型下仿真模拟了高脉冲能量-低脉冲重复率(HPE-LPRF)和低脉冲能量-高脉冲重复率(LPE-HPRF)两种系统的探测过程。通过对比反演风速值的均方误差,分析两种系统的探测性能。仿真结果表明:仿真模型给出的系统信噪比与理论值一致;信号的非相干累加平均处理提高了风速测量精度;非相干累加时间为0.1 s时,在常风速模型和NASA阵风模型下,LPE-HPRF探测系统风速的均方误差分别为0.75 m/s和1.03 m/s,均优于HPE-LPRF探测系统(0.93 m/s和1.25 m/s)。

通过构建人工神经网络模型估算中国西北高原地区近地面光学湍流。对多层感知器(MLP)的结构进行优化,其输入层包括10个特征,隐含层包括40个神经元。探讨已建多层感知器的性能,结果表明:当训练集和测试集来自同一地区时,模型的平均相对误差为1.34%,折射率结构常数的实测值和估计值的拟合优度为0.94;当训练集和测试集来自不同地区时,多层感知器的泛化能力需进一步提高。

为了研究不同地区的气溶胶光学特性, 了解地区间气溶胶成分和来源的差异, 建立了典型地区的气溶胶光学模式。基于POM02太阳辐射计测量的太阳直射辐射和散射辐射值, 利用SKYRAD算法获得了青海德令哈、安徽合肥、广东茂名3个地区的春季气溶胶光学特性参数, 包括谱分布、折射指数和单次散射反照率等。然后基于这些参数对气溶胶来源和分布特征进行分析, 最后分析了浮尘天气对气溶胶光学参数的影响。结果表明: 德令哈地区大气清洁度较高, 24%的光学厚度分布在0.2以下, 气溶胶来源单一, 以大粒子为主导; 合肥地区有39%的波长指数分布在0.8～1.0之间, 折射率实部随波长变化不明显, 气溶胶来源复杂, 以小粒子为主导; 茂名地区54%的光学厚度集中在0.5左右, 分布区间稳定; 沙尘天气中, 大粒子的增加是气溶胶光学厚度增大的主要原因。

激光相干探测技术能够在晴空下实时获得高时空分辨率的风场分布,是目前研究大气风场的一种重要手段。首先简述了 大气风场测量的意义,针对激光相干测风技术进行了介绍。随后结合目前相干多普勒测风激光雷达的发展情况,重点对相干 激光测风探测技术在不同领域上的应用进行分析和总结。最后,通过对比目前相干探测技术的应用缺陷,进一步分析了相干探测技术的应用前景。

针对近海复杂地形下海陆风对大气湍流特性的影响,在深圳市杨梅坑环境生态中心开展了大气湍流观测实验,利用温度脉动仪、超声风速仪和测风雷达获得了大气折射率结构常数、大气声虚温、风速风向廓线等时间序列数据。通过分析海陆风对大气湍流的功率谱、各向同性和湍流动能耗散率的影响发现,较陆风条件,湍流在海风条件下发展得更为充分。海风条件下各向同性系数接近甚至等于1的频率范围为0.05~50 Hz,速度功率谱幂率均接近-5/3;陆风条件下,只有0.8~10 Hz频率范围内的大气湍流在极短时段表现出局部各向同性,速度功率谱幂率均严重偏离-5/3且整体偏大,平均值在-1.3左右。海陆风条件下湍流动能耗散率与湍流强度呈线性关系,温度脉动仪和超声风速仪测得的数据拟合斜率分别为1.1、0.76和0.73、0.28。研究结论为深化海洋环境下的激光传输研究提供了一定的参考。