为实现对大气气溶胶时空变化信息的全天时实时监测,设计了一种B/S架构的Mie散射 大气激光雷达数据采集及远程监控系统。利用ARM-Linux平台搭建的嵌入式系统实现了对大 气回波信号的实时采集。用Fernald方法即时处理回波信号,实时显示消光系数曲线与时间 高度回波强度显示图(THI)。提出的设计基于B/S架构的远程监控系统,具有监控平台无关 和监控地点无关等特性,可以更加直观地了解Mie散射大气激光雷达全天时连续探测得到的 大气气溶胶时空变化信息。实验表明所设计系统能实时显示消光系数曲线与THI图,具有良好的远程控制能力。

活体植物叶片叶绿素含量SPAD值易受叶片厚度、 水分等影响, 提出了基于多参数神经网络建模的叶绿素含量精细反演方法。 通过测量叶片在中心波长分别为650, 940和1 450 nm光照射下的透过率, 获得叶片的SPAD值和水分指数WI(water index), 同时用数字螺旋测微仪测量相应的叶片厚度并用分光光度法测得其叶绿素含量。 利用建模集样本分别建立SPAD值与实测叶绿素含量之间的单参数模型和基于BP神经网络的WI、 厚度及SPAD值与实测叶绿素含量之间的非线性模型。 利用这两种模型分别计算获得验证集样本的叶绿素含量预测值, 对预测值和实测值进行了相关分析和相对误差的分析。 实验以340个三种不同植物叶片为样本, 用以上方法进行了分析。 结果表明, 利用BP神经网络建模后, 每种植物样本的叶绿素含量预测精度都有不同程度的提高, 尤其对于叶片厚度值较大的样本, 效果更为明显。 数据显示所有混合样本平均相对误差绝对值由单参数模型的7.55%降低到5.22%, 实测值与预测值的拟合决定系数由0.83提高到0.93。 验证了利用多参数BP神经网络模型可以有效地提高活体植物叶绿素含量预测精度的可行性。

利用Nd:YAG 激光器产生10 Hz 的1064、532 和355 nm 激光束作为光源，研制了用于对流层大气气溶胶探测的全天时多波长激光雷达，实现了溶胶Mie散射信号在紫外、可见和红外三个波段的精细分离和提取。通过小孔光阑和窄带干涉滤光片对背景光的强烈抑制，实现了全天时探测。通过对三波长Mie 散射信号日间和夜间探测信噪比数值仿真和实际探测信噪比分析，得出日间探测时532 nm 的信噪比最低，夜间探测时355 nm 的信噪比最低，这与数值仿真结果一致。通过分析实际探测信噪比为1时的数据，得到该系统日间探测高度可达8~10 km，夜间探测高度可达10~12 km。对西安地区晴天、多云天和雾霾天的初步探测结果表明，该多波长激光雷达的性能完全能够满足对流层内气溶胶粒子的全天时和不同天气情况下的探测要求。

针对激光雷达回波信号所含噪声的特点，提出并详细论述了一种能够对激光雷达回波信号进行有效消噪的小波包平均阈值变换方法。该方法通过求取最优小波包基的每个结点的阈值，并进行平均后作为全局阈值来实现小波包消噪。为了验证该方法的有效性，对包含高斯白噪声的模拟信号进行了仿真消噪，并对米氏散射激光雷达系统实际探测得到的大气回波信号进行了消噪处理。同时，将该方法与小波全局阈值消噪、小波包默认阈值的消噪效果进行了对比分析。仿真结果和实验结果表明，基于平均阈值的小波包消噪方法能够有效降低激光雷达回波信号中所含噪声，并且其消噪效果明显优于另外两种小波分析方法。

高斯光束的传播特性直接影响激光雷达大气回波信号的发散角，进而影响法布里-珀罗标准具(FPE)的光学特性。从高斯光束的FPE三维干涉环分析，得到发散角小的高斯光束有利于获得能量较高的FPE零级或一级干涉环。探讨了高斯光束品质因子M2和准直倍率对不同高度的激光大气回波信号的影响。数值计算结果表明，FPE对大气回波信号的透射率与高度的变化有关，在近场变化明显，在远场相对稳定；且对特定高度大气回波信号的FPE透射率随着光束品质因子M2的增大而降低，随着准直倍率的放大而增强。所以应设计和选择具有较高准直倍率的准直发射系统和具有较低光束品质因子M2的激光光束，来提高FPE的透射率，同时对以FPE分光的激光雷达的近场回波信号进行FPE透射率校正，以改善激光雷达系统的测量误差。

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.

设计了一个532.25 nm波长的转动拉曼激光雷达用新型全光纤分光系统,对强背景噪音下微弱的转动拉曼信号进行高精度提取,以用于探测大气温度。该新型全光纤分光系统由3个光纤布拉格光栅(FBG)及光纤环行器构成,利用FBG的波长选择特性,可高精度剔除大气回波信号中的米氏散射、瑞利散射信号成份,分离出中心波长分别为530.6 nm和528.8 nm的转动拉曼散射信号,用于反演大气温度。通过对分光系统进行参数优化设计和数值计算,表明基于FBG的分光系统可以对回波信号中的米氏散射、瑞利散射信号进行高达7个数量级以上的抑制,满足转动拉曼测温激光雷达对米氏散射、瑞利散射信号的高精度剔除。

光束品质因子M2直接影响高斯光束传播特性,光纤口径主要约束激光雷达接收系统的视场角。几何重叠因子是影响激光雷达探测性能的重要参量,其主要受激光束的发射特性、接收系统的结构等影响。通过探讨光束品质因子M2及耦合光纤口径对几何重叠因子的影响,为设计激光雷达发射接收系统,改善激光雷达的探测性能提供了优化方案。数值计算及初步实验表明,光纤的耦合效率与光纤的放置位置及光纤口径有很大的关系;几何重叠因子小于1的探测距离受到M2因子的较大影响且随着M2因子的增大而增大。