气温是描述大气状态的基本参数之一, 温度的准确测量对天气预报、 气候预测及其他气象参数的反演都至关重要。 激光雷达作为一种遥感仪器, 已经用于气象要素的探测中(风、 温度、 气溶胶的光学厚度等)。 目前, 测温激光雷达主要有拉曼激光雷达(振动和转动)、 共振荧光激光雷达和Rayleigh散射激光雷达等, 拉曼激光雷达需要大功率的激光器和复杂的背景滤波器; 共振荧光激光雷达无法探测平流层内的温度; 基于Rayleigh散射的测温激光雷达多应用于温度的相对测量, 反演温度时需要建立响应函数和校准程序; 基于固体腔扫描F-P干涉仪测量大气Rayleigh散射光谱来反演温度的方法, 时间分辨率较低, 并且该方法在测量过程中需要运动部件, 所以不利于星载。 在大气低层, 分子的Rayleigh散射光谱会受到Brillouin散射的影响, 两种散射信号叠加形成的Rayleigh-Brillouin散射光谱不再服从Gaussian分布, 直接通过测量散射光谱的半高全宽来反演温度, 会产生误差。 基于回波能量的方法会受到气溶胶Mie散射信号的影响, 所以在对流层中该方法并不适用。 为了实现对流层内温度的高精度和高时间分辨率的测量, 提出利用Fizeau干涉仪和PMT阵列对对流层内分子的Rayleigh-Brillouin散射光谱进行测量, 并通过插值的方法来对回波信号中气溶胶Mie散射信号进行抑制, 从而使Mie散射信号对温度反演的影响较小, 最后将测量光谱和理论光谱进行全光谱匹配来实现温度的反演。 除此之外, 还对Fizeau干涉仪的自由光谱区、 固体腔几何长度、 腔体反射率、 扫描间隔等参数进行了优化设计。 为了验证本文提出方法的可行性, 利用Matlab软件建立了一套仿真模型, 通过模拟表明, 在不考虑云、 风和水汽含量的影响时, 利用该方法测量对流层内的大气温度时, 测量误差小于1 K。 该测温方法可以对对流层内的大气温度廓线实现高精度、 高时间分辨率的测量, 在测量过程中不需要使用运动部件, 有较高的使用价值, 并对同类高光谱激光雷达分光系统的研究具有借鉴意义, 为我国高光谱激光雷达陆基及星载应用提供了一套可行的技术方案和温度反演方法。

构建了一种基于毫米波云雷达多普勒谱的过冷水滴、冰晶、雪花的识别算法, 通过对全局谱的谱峰识别, 分离出了不同类型粒子的局部谱, 得出了不同类型粒子的反射率因子、多普勒速度、谱宽等谱矩参数及含水量.通过对一次降雪过程Ka波段测云雷达多普勒谱的分析, 结果表明: (1)混合相云中, 由于雪花对毫米波雷达总回波强度贡献较大, 基于总雷达反射率因子直接反演液态水含量会忽略过冷水滴的贡献, 造成云中含水量的低估; (2)多普勒谱反演得到过冷水的液态水路径(LWP)与微波辐射计反演结果一致性较好, 说明毫米波雷达能够有效估量云中液态水路径; (3)冰雪晶粒子在过冷水层(SWL)中下落速度随反射率因子的变化梯度(dV/dZ)比在冰雪层(ISL)中大,这主要是因为冰雪晶粒子在SWL中通过凇附增长比在ISL中通过碰并增长要增长得更快.

云滴有效半径和云水路径等微物理参数是了解云的形成过程、 辐射效应以及云、 气溶胶和降水相互作用等问题的重要数据。 利用地基红外高光谱辐射数据开展了云微物理参数反演方法研究。 针对光谱数据的特点, 进行了基于云层发射率光谱和辐射光谱的敏感性分析, 在此基础上建立了云微物理参数与云发射率光谱差值和斜率等特征参数有关的查找表关系。 具体特征参数包括: 热红外波段862.1和934.9 cm-1的云层发射率之差、 中红外波段1 900.1和2 170.1 cm-1的云层发射率之差、 热红外波段900～1 000 cm-1区间的发射率光谱斜率和辐射值光谱斜率、 1 100～1 200 cm-1区间的发射率光谱斜率和辐射值光谱斜率等。 研究了臭氧波段云层透过率的计算方法及对查找关系的约束性, 选择了1 050～1 060 cm-1区间的云层透过率平均值作为约束特征参数。 实现了基于逐步搜索法的多重查找反演云滴有效半径和光学厚度, 并可通过经验关系计算云水路径。 研究表明, 该算法得到的水云的云滴有效半径与ARM计划中的MICROBASE产品基本相当, 冰云的云滴有效半径相对偏小, 两者的云水路径反演结果差异较大。 该反演算法较适合于光学厚度小于6的薄云。

云相态是气候模式中的重要参数, 也是遥感反演过程中进行云滴有效半径、 云水含量等微物理参数反演的重要前提。 在研究了云层有效发射率光谱对云相态敏感性的基础上, 提出了基于云层有效发射率光谱的云相态表达特征, 包括800～900 cm-1区域的有效发射率斜率、 900～1 000 cm-1区域的有效发射率斜率、 上述两个区域的有效发射率斜率之差、 862.1与989.8 cm-1的有效发射率之比、 862.1与989.8 cm-1的有效发射率之差、 1 900.1与2 029.3 cm-1的有效发射率之比、 远红外窗区有效发射率平均值与900 cm-1有效发射率之比等7个特征。 建立了利用支持向量机进行云相态判别的方法, 开展了模拟数据验证试验, 并利用遗传算法优化了支持向量机的径向基核函数参数和惩罚因子。 将该方法用于处理ARM计划中SGP站点的AERI仪器获得的数据, 得到的云相态判别结果与Shupe提出的多仪器综合判别结果进行了比较。 结果表明, 利用红外波段不同窗区的有效发射率光谱特征可以实现发射率低于0.95的云层的相态判别, 建立的基于支持向量机的云相态判别方法与Shupe方法的总体判别结果较为一致, 但有约30%的云层由于发射率较大而标记为不透明云。 基于红外高光谱发射率数据的云相态判别技术充分考虑了光谱斜率、 比值和差值等信息, 是较为稳定有效的薄云相态判别方法。

通常气压传感器的标定补偿方法复杂耗时, 开发了一种新的方法去简化气压传感器的标定补偿。首先, 设计恒温结构, 并通过PID算法自动调节, 使气压传感器的核心敏感元件工作于某一个固定温度（此温度稍高于气压传感器需要工作的最高温度点）; 其次, 把气压传感器在与这个固定温度点相等的环境温度下进行标定; 最后, 完成标定后不管环境温度如何变化, 气压传感器敏感元件始终工作在一个恒定的温度, 因此气压传感器的标定与补偿可以得到简化。经测试, 气压传感器在一定的环境温度范围内实现恒温工作, 标定后可以以较高的精度测量气压, 实验结果表明经过标定补偿后的气压传感器可以在实际中应用。

开发了一种基于电镀铜锡合金薄膜的绝压气压传感器圆片级气密封装技术以降低常规的基于阳极键合气密封装技术的成本及难度。通过实验确定了铜锡合金薄膜的电镀参数, 实现了结构参数为: Cr/Cu/Sn (30 nm/4 μm/4 μm)的铜锡合金薄膜;通过共晶键合实验确定圆片级气密封装的参数, 进行了基于铜锡材料的气密封装温度实验。通过比较各种不同温度下气密封装的结果, 确定了完成圆片级气密封装的条件为: 静态压力0.02 MPa, 加热温度280°, 保持20 min。最后, 对气密封装效果进行X-射线衍射谱(XRD)、X射线分析、剪切力以及氦气泄露分析等实验研究。XRD分析显示: 在键合界面出现了Cu3Sn相, 证明形成了很好的键合;X射线分析表明封装面无明显孔洞;剪切力分析给出平均键合强度为9.32 MPa, 氦气泄露分析则显示泄露很小。得到的结果表明: 基于电镀铜锡合金薄膜可以很好地实现绝压气压传感器的圆片级气密封装。

为规范大气相干长度的测量，保证测量数据的准确性，通过对大气相干长度测量中采样频率、采样时长、曝光时间等关键问题的分析，并结合国内外相关研究成果，确定了差分像运动测量仪的采样频率应不低于100 Hz、采样时长应不短于20 s ，单帧图像曝光时间应不长于沿测量光路的格林伍德时间常数，样本数应不少于2 000帧。

利用连续观测的云序列图像进行风场探测的技术已经较为成熟,目前主要应用于卫星云导风中,可以获取较 大范围、大尺度的区域风场信息,但利用地基观测云图进行云导风方面的研究还较少。分析了地基测云仪 器的发展现状,提出了采用高时空分辨率的地基红外云图,通过阈值确定云高,利用目标匹配方法、目标追踪 方法进行示踪云的选择,利用快速搜索算法进行示踪云的搜索,以及地基云导风计算的方法,并分析了导风结 果的质量控制思路。利用该类地基红外云图导风资料可以与常规高空风探测手段、卫星云导风资料互为补充。

日照时数是地面气象台站观测的基本项目。长期以来,我国主要使用暗筒式日照计进行日照时数观测,自动化程 度低,精度较差,资料可比性难以保证。随着技术的发展,国外出现多种自动日照计,而国内这方面研究较少,与国 外先进水平有一定差距。为了研制具有自主知识产权、可业务化应用的日照计,通过分析直接辐射式日照计的发展 现状和关键技术,认为基于直接辐射式的自动日照计有广泛的应用前景,重点需要解决传感器的辐射响应、传感 器设计与封装、太阳位置的自动跟踪、整机的结构优化等问题,提高仪器的环境适应性、长期稳定性和可靠性。

搜集整理了气溶胶、雾和雨的观测资料，运用米氏理论计算并分析了大气体散射强度特性.结果表明：大气体散射能量主要集中在前向较窄的散射角区间内，体散射相函数随散射角的分布取决于粒子尺度谱、波长和复折射指数，不同类型粒子体散射相函数随散射角的分布特性有较大的差异；大气单散射反照率受波长和复折射指数虚部影响，其值范围变化较大，相同波长下城市气溶胶单散射反照率小于雾，城市气溶胶和雾的单散射反照率随波长增大而减小.