针对激光掩星探测对流层中上层到平流层下层高度范围内大气温度和压强的反演方法，进行了研究和仿真分析。选择对温度不敏感而对压强敏感的吸收线，利用吸收系数与吸收截面和压强的关系，通过迭代方式求解得到压强。选择弱吸收峰附近的吸收线，利用吸收系数与压强和温度的关系，根据反演得到的压强值通过迭代方式求解得到温度。为减小大气中其他气体吸收以及大气散射等消光因素对反演结果的影响，仿真过程采用差分波长的方法，在氧气A吸收带内，选取合适的吸收线，利用激光掩星差分透过率数据由Abel积分反变换反演得到各个激光轨迹切点高度处的差分吸收系数廓线，然后利用差分吸收系数反演各个切点高度处的压强和温度。仿真结果显示：压强反演误差主要受差分吸收系数反演误差的影响，随高度下降呈不断增大的趋势，最大误差约为6%；根据反演得到的压强值对温度进行反演，温度反演误差主要受压强和差分吸收系数反演误差的影响；两种影响部分抵消，最大温度反演误差在5 km高度附近约为1.5 K。建立误差模型进行分析，对反演误差中出现的一些变化趋势和影响因素进行解释。在去除差分吸收系数反演误差的条件下，对压强和温度进行1次循环求解，得到压强最大反演误差约为0.3%，温度最大反演误差约为1 K，将该条件下温度和压强的反演误差与有差分吸收系数反演误差时的反演误差进行对比，证实了减小差分吸收系数反演误差的重要性。

对流层顶-平流层下区域(UTLS)的水汽分子密度对于研究全球变化、大气物质能量交换具有十分重要的意义,激光掩星技术可能是 一种探测该区域水汽的有效手段。掩星对于大气探测的核心思想源于阿贝尔(Abel)变换。GPS掩星的阿贝尔积分变换表达的是 连线的折射角与切点处折射率之间的关系,而与GPS掩星的阿贝尔积分变换不同的是,激光掩星的阿贝尔积分变换建立的是全路 径大气光学厚度与切点处大气消光系数之间的关系。从光线的程函方程出发,通过变量替换、坐标置换,从而建立起 大气光学厚度与大气消光系数之间的关系。由于光在切点处大气的消光系数和该处大气的水汽浓度成正比,因此分别在微 卫星和微卫星之间发射、接收0.935 μm掩星激光脉冲,连接两者之间的光束穿过大气层,计算积分路径上其水汽双波长 差分光学厚度,由阿贝尔积分变换反演即可获得光束路径切点处水汽浓度。随着掩星连线的上下移动,连线切点高度随着卫星 相向或背向而行而变化形成水汽浓度廓线。由于激光束发散角小,因此由激光掩星方法获得的水汽廓线高程精度高, 水汽的吸收消光可以直接得到水汽的分子密度,优于GPS掩星的相位延迟间接方法,可以更直接精确地探测大气对流层顶-平 流层下区域的水汽分子密度。此外,研究表明激光掩星方法的光谱分辨率优于太阳掩星方法的光谱分辨率。

在低轨道空间站和伴飞卫星上分别安置激光发射机和接收机,同时发射和接收935 nm短波红外水汽探测激光束脉冲对和765 nm(位于氧气的A吸收带)近红外激光束脉冲对。935 nm波段激光脉冲的一个探测波长对水汽的吸收较强,另一个参考波长对水汽的吸收相对较弱;765 nm波段激光脉冲的一个波长对氧气的吸收较强和另一个波长对氧气的吸收较弱。光连线全程的双波长差分光学厚度和连线切点处的差分消光系数之间存在Abel变换关系。基于Abel积分变换,利用理想气体状态定律和大气准静态方程,用大气模式作为初值条件,进行数值计算。765 nm波长对用来反演大气的压强和温度,935 nm波长对用来反演大气水汽的密度。获得的水汽廓线分布的仿真结果以及误差分布表明,激光掩星具有探测对流层上-平流层下这一高度(5~14 km)的水汽含量的潜力。

为了更好地探测对流层大气水汽的垂直廓线, 对已经建立的935 nm差分吸收激光雷达进行了部分改进。采取双通道接收的措施, 近场通道望远镜同时也是发射激光的扩束器, 近场通道采用偏振分束器加四分之一波片的方式隔离发射光和回波光, 远场通道(主通道)采用平行旁轴的卡塞格林望远镜, 从而减小激光雷达近地面盲区; 发射机的双波长挪到936.0~936.5 nm之间, 增加了注入种子激光的功率, 提高发射光谱纯度, 从而提高探测精度。探测范围从600~2 000 m, 延展到250~3 000 m, 随机误差5%。