星载主动式差分吸收是目前较为精准监测全球二氧化碳的方法。大气中气压、温度、湿度、地表反射率及硬件系统中线宽、滤波器带宽等对反演误差都有影响, 其中地表反射率对反演误差有着不可忽视的影响。实验结果表明光斑足迹越小、间隔距离越大、地貌越复杂,反演误差就会越大。在光斑直径为100 m、距离间隔为10 m时, 6种地貌的绝对误差在0.0215×10－6～0.2134×10－6,控制在1×10－6之内,这对实际硬件参数设计有一定参考意义。

多次散射是影响激光雷达探测水体光学特征参数(包括吸收系数a,衰减系数c,漫射衰减系数Kd)的重要因素,而视场(field of view, FOV) 是造成接收回波中多次散射比重差异的关键参数。基于Mclean-Walker海洋激光雷达模型,引入接收视场参数θrcvr,分别针对船载、 机载和星载平台激光雷达进行探测回波计算,假设探测高度依次为10, 300, 7×105 m,在接收视场变化情况下分析多次散射因子对反演 水体光学特征参数的影响。结果表明,利用水体中激光散射回波反演水体光学特征参数的方法中,假定激光准直入射, θrcvr与探测高度H 是影响反演结果的直接因素,激光雷达衰减系数Klidar的物理意义随之变化,当θrcvr近似为0时Klidar 反演值为衰减系数c,随θrcvr×H增大, Klidar反演值逐渐接近于Kd。

研制了一套能连续探测海洋大气气溶胶光学性质垂直分布的船载小型米散射激光雷达系统,用 该系统于2015年5月和9月在青岛海域开展了海洋大气气溶胶观测实验。以同船搭载的Microtops II型手持式太阳光度计同步测量得到的气溶胶光学厚度作对比数据,比较了两种仪器的气溶胶光学 厚度测量结果,得到观测海域柱平均激光雷达比为32.4 sr, 标准偏差4.6 sr。由Fernald方法得到了实验海域夏季15 km以下 的气溶胶消光系数廓线。连续观测实验表明研制的船载米散射激光雷达结构紧凑,易于在船 载平台操作,能对海洋大气气溶胶的光学特性进行连续有效的高时空分辨率廓线测量。

CO2是地球大气中第三大含量的痕量气体,对温室效应影响最大,主要来源于人类的日常活动,测量大气CO2浓度对了解 地区CO2的周期性变化与气候变化的内在规律有重要意义。基于可调谐半导体激光吸收光谱(tunable diode laser absorption spectroscopy, TDLAS)技术,系统选择CO2在2004 nm附近的吸收线,采用直接吸收光谱处理方法,对开放式 长光程大气下的CO2进行了连续测量。通过与手持CO2测量仪的对比测量,二者的相关系数达到0.8371,二者的标准 偏差为7.204 ppm,测量结果的变化趋势符合较好,证明了实验系统的可行性,为国内激光遥测CO2提供了一种重要的思路与方法。

为了扩展空间多普勒激光雷达地面散射信号的应用范围，采用多个机载多普勒激光雷达飞行实验数据，对地面散射信号的强度、海拔高度、速度等特征进行了数据分析，并利用地面散射信号与上层大气信号强度的比值，可以等效体现地面反射率特征，即地面散射信号解算的海拔高度与数字海拔高度模型数据相吻合，两者平均值偏差小于20 m，标准偏差小于100 m; 使用地面散射信号实现飞机速度校正，与使用飞机平台数据解算的结果具有较好的一致性，采用直接探测手段时，标准偏差小于1.5 m/s，采用相干探测手段时，标准偏差小于0.5 m/s，验证了利用地面散射实现空间平台速度校正的可行性。另外，针对云散射信号的存在和影响，提出了一种利用海拔高度数据比对的方法，实现云散射和地面散射的识别。

在航空传感器系统,测速传感器皮托管的探测器入口容易被堵住,造成事故。 目前测风激光雷达是唯一可以替代皮托管的传感器,常见的脉冲测风激光雷达在近距离存在盲区而无法测量。 为了解决此问题,使用1.5 μm光纤激光器作为激光光源,其输出能量约为1 W,与保偏环形器、 耦合器等器件搭建了一套同轴收发的风速仪系统。使用距离望远镜5 m的转盘对风速仪进行了标定实验,实 验结果表明系统的速度分辨率和测量与转盘实际速度的线性拟合系数分别为0.021 m/s和0.99。使用此系统 成功实现了大气风速的测量(25 m处的大气)。

为了拓展海洋光学参数的激光遥感测量手段, 借鉴高光谱分辨率多普勒激光雷达对大气散射信号的测量机制, 提出了一种利用激光雷达水下后向散射信号测量海洋固有光学参数的新方法。在原理方面, 描述了测量系统的组成和利用碘分子吸收滤波器实现水分子瑞利散射信号和悬浮物米散射信号的光谱分离测量方法, 在结论方面, 给出了利用海水激光后向散射信号实现海水悬浮物后向散射系数和海水体消光系数的具体反演算法。

阐述了星载对地测风激光雷达系统对于全球大气气象研究的意义,总结了国际星载测风雷达系统的研 究思路。介绍了中国海洋大学在国际上地基、机载、星载这一激光雷达研究思路下,基于碘分子吸收滤波 器设计的车载、机载激光雷达系统和相关系统的验证实验,在地基测风系统的基础上建立了532 nm波段 基于碘分子吸收滤波器或法布里-珀罗滤波器的Labview星载模拟软件。使用车载系统的实际测量数据对使用碘分子吸收滤波器的 模拟测风激光雷达软件在0～3 km和3～20 km的测风精度进行模拟验证,结果表明回波累积脉冲次数在1300次 的时候,可以达到星载测风雷达的测量要求。

相干多普勒激光雷达通过探测大气气溶胶后向散射信号的多普勒频移来反演风场。机载多普勒激光雷达的应用发展拓展了风场探测的领域、提高了探测时效性。而机载激光雷达的风场反演相对于地基系统来说要复杂很多，这归因于飞机平台的移动特征带来的多普勒影响。主要论述了机载多普勒激光雷达在风场反演过程中需要实现的主要数据校正算法，包括姿态校正、高度校正、速度校正、地面信号校正算法等，并实现了激光地面作用点海拔高度和地面信号速度的反演和对比验证，对比结果具有较好的一致性。这些算法的有效解决对于提高激光雷达测量精度具有重要意义。

模拟了基于355 nm波长双边缘 Fabry-Perot(FP)鉴频器和基于532 nm波长碘分子鉴频器的 星载测风激光雷达系统性能。进行的比较和分析主要包括激光出射光子数、大气后向散射强度、 探测器、鉴频器及测风灵敏度等。给出了星载平台系统接收后向散射信号的信噪比和测风误差, 以评估两种激光雷达系统的性能。结果表明,在距地面0～5 km高度范围, 532 nm碘分子鉴频器系统 测风误差低于355 nm 双边缘FP系统,而对于距地面5 km以上大气范围, FP系统风速误差比碘分子 鉴频器系统低25%。