基于子午工程激光雷达的大气Rayleigh散射实验观测数据，开展了中层（30~65 km）大气温度结构反演计算和大气重力波事件识别的研究工作。在Chanin-Hauchecorne大气温度反演方法的基础上，采用SABER/TIMED、COSMIC卫星测量数据的对照分析方法，提高了中层大气温度结构反演的准确性；采用小波分析方法提取温度扰动的主要波动成分，并计算重力波活动的垂直波数谱Fam和时间频率谱Faω，增强了重力波事件识别以及特征参数提取的可靠性。基于设计的数据分析流程，完成了2011—2013年海南激光雷达站观测数据的分析工作，提取202个中层大气重力波事件的特征垂直波长λz*和特征周期Tob*。统计分析结果显示，海口上空中层大气常见重力波的特征垂直波长为5~9 km， 特征周期为5~13 h。该数据分析方法能满足Rayleigh激光雷达对中层大气温度结构精确探测以及重力波活动特性观测研究的需要，可为子午工程激光雷达观测数据的广泛应用提供服务。

中层顶区域（80~110 km）的大气探测具有重要的科研和应用价值。长期以来，由于传统探测手段的限制，该区域一直是人类了解相对较少的大气层区域，存在着由流星注入产生的大气金属层。由于金属原子、离子共振荧光散射的散射截面比瑞利散射、拉曼散射大得多，其可以被激光雷达探测到。半个世纪以来，利用原子、离子特定波长的跃迁光谱，向高空大气发射特定波长的激光，并结合遥感技术，开展了大气金属层探测，这些金属原子、离子是大气波动极好的示踪物，可获得大气原子数密度、温度、风场等参量。近年来，随着热层金属层不断被发现，大气金属层的高度范围逐渐拓展，金属层研究又受到人们的极大关注。本文以作者团队及合作者的工作为基础，以大气金属层激光雷达采用的激光器发展历程为主线，介绍了地基激光雷达对大气金属层探测研究的发展过程以及国内外研究现状与发展趋势。

环境天气的突然变化会对观测中的中高层大气激光雷达造成严重危害，为了确保中高层大气激光雷达的安全运行，需要实时监测激光雷达台站的天气状况。基于夜空图像分析仪和本地气象站，结合数字图像处理技术，开发一套自动化天气判别系统。该系统能够实时判断当前天气状况是否满足激光雷达的观测条件，并对未来2小时内可能出现的恶劣天气做出及时预警。依据试运行一年的连续观测结果，该系统能够正确地判断当前天气状况，可以满足中高层大气激光雷达自动化运行的需求，具有较高的稳定性和实用性。

提出一种多通道单脉冲激光能量变化的监测方法,用于实时监测脉冲激光的状态。首先采用多合一光纤束,对待测激光进行取样;再经过消色差透镜将光纤合束端面成像到CMOS图像传感器的感光面,通过软件获取光斑图像并提取不同光斑的灰度值,以表征脉冲激光能量;最后根据各待测激光总能量大小对灰度值进行标定,即可实现不同位置处激光能量变化的同时在线监测。利用该方法,对全高程全天时大气探测激光雷达系统中1064,532,589nm激光以及脉冲染料激光器中自发辐射 (ASE) 荧光的单脉冲能量变化进行了长时间同时在线监测,得到了激光雷达运行过程中这4束光单脉冲能量的变化情况,并根据监测结果计算了倍频晶体的倍频效率、脉冲染料激光器的转换效率及ASE比例系数。该研究为需要对多路激光单脉冲能量变化进行同时在线监测的光电系统提供了一种有效的解决方法。

大气探测激光雷达利用激光与大气的相互作用来主动遥感测量大气参数, 在大气科学研究、环境监测、气象预报等领域发挥着越来越重要的作用。大气密度随高度呈指数下降, 对流层以上的高层大气密度稀薄, 探测难度较高, 探测手段较少, 探测数据也较少。随着激光雷达技术的发展, 激光雷达对高层大气密度、温度、风场等参数的探测能力逐步提高, 获得了较为丰富的高时间、空间分辨的观测数 据, 并应用于中高层大气模式发展、临近空间环境保障等领域。系统地介绍了高层大气激光雷达探测机制、国内相关激光雷达的探测能力及台站建设情况, 并对高层激光雷达的发展趋势和应用前景进行了展望。

在非相干多普勒测风激光雷达系统中，激光的线宽与频率的稳定性是影响测量结果准确性的两个重要因素。研制的激光雷达系统采用种子注入方法产生窄线宽脉冲激光，采用碘分子饱和吸收稳频的方法，利用VB语言基于PID算法编写仪器控制程序，将种子激光器的频率锁定在碘分子吸收线1 109线的高波数边缘上，长时间(>4 h)锁频的精度≤0.5 MHz，频率的长期稳定度为3.55×10^-9。设计了连续光测速系统，得出多普勒频移测得的实验值与实际斩波盘的速度值曲线，速度误差小于0.4 m/s。由此也说明，所设计的连续光测速系统可以对整个锁频系统进行校准。该实验也为测风激光雷达的建设提供指导意义。

窄带钠层荧光激光雷达可以获得80~110 km钠层风场和温度，是高空大气探测的发展趋势。报道了最新研制成功的国内首台全光纤、全固态窄带钠层荧光激光雷达系统，包括全固态激光雷达整机方案、系统采用关键技术及钠层初步探测结果。该系统已经初步实现北京上空钠层温度和钠原子数密度的探测。该全固态型激光雷达具有稳定性好、可靠性高、硬件调整少等特点，为钠层探测提供了有利手段。

借助一套全新的地面高精度光电探测器强光感生噪声检测平台，建立了强光感生噪声精细结构扣除模型，同多通道信号接收技术相结合，改进了一台用于中高层大气温度探测的子午工程双波长三通道瑞利散射激光雷达数据的处理方法。处理后数据反演的大气温度廓线与TIMED卫星结果相比较，得到了很好的吻合。在35～85 km高度范围内二者反映了较一致的温度分布特征，30~55 km温度误差小于±5 K,55~75km温度误差小于±10 K。

通过武汉物理与数学所的白天钠激光雷达,对武汉(30°30′N, 114°E) 上空的钠层昼 夜变化特性及潮汐波活动进行了观测。在一次持续时间超过两天的观测中,钠层表现出了 很强的日周期变化特性,钠层的柱密度、层宽度、质心高度都呈现出24 h的变化周期。 各个高度上的钠层密度变化也呈现出清晰的24 h下行波的相位传播现象。这些结果都可 以归因于一个显著的日潮汐波扰动。从观测数据中提取出来的潮汐相位与GSWM00模式符合得很好。 在其它的三个短时间白天观测中我们也观察到了显著的钠层日周期变化,而平均钠层日变化呈现出了 显著的日潮汐波传播结构。这个结果与已有的报道很符合,即日潮汐波是武汉上空主要的潮汐波。

通过一台NdYAG激光器抽运两台脉冲染料激光器，产生589 nm和770 nm两种可调谐波长激光，分别激发钠层和钾层原子的共振荧光，再通过双光纤焦面分光接收，实现了利用一台激光雷达同时探测高空钠层和钾层，从而为更经济、更有效地开展高空钠层和钾层比较性探测研究提供了一种新的手段。