利用三个站点(金华、合肥和兰州)同时期的观测数据对边界层高度进行了反演、统计和分析。研究结果表明,三个站点的边界层高度具有明显的季节、日变化特征。除冬季外,金华和合肥的边界层高度要低于兰州。兰州的边界层高度的上升和下降时间与日出、日落时间有着良好的对应关系,合肥的边界层高度则在日出数小时后才出现明显上升。金华、合肥和兰州日间月平均边界层高度最高值分别出现在9月、8月和6月,月平均最大混合层高度出现的月份分别是9月、8月和7月。了解边界层高度的时空分布规律,可以为空气污染防治、天气预报以及气候预测等提供进一步的参考。

激光雷达回波信号是非线性非平稳信号,且易被各类噪声污染。为高精度提取有效信号信息,需选取合适的方法进行降噪处理。采用激光雷达回波仿真信号,对其添加泊松噪声,再利用小波变换(WT)、经验模态分解(EMD)、变分模态分解(VMD)及其改进和联合算法进行回波信号的去噪实验,最后通过对比分析,选取最适合激光雷达回波信号的降噪方法。实验结果表明,WT-VMD联合算法在不同原始信噪比下都具有最大的输出信噪比和最小的均方根误差,且去噪后信号曲线的平滑度较小,能很好地还原激光雷达回波原始信号,利于提高后续信号的反演精度。

由于大气中气溶胶垂直分布复杂,常用的梯度法和小波协方差变换法在边界层高度自动连续识别方面仍具有较大的不确定性。选取在浙江金华两个时间段内观测得到的双波长激光雷达数据,将二维矩阵方法应用于复杂大气垂直分布情况下边界层高度的反演,从距离和时间两个维度优化边界层高度的反演结果。研究结果表明,在气溶胶垂直分布出现多层结构的情况下,小波协方差变换法反演的边界层高度有较大的误差,而二维矩阵方法具有一定的优势。在532 nm波长基于二维矩阵方法和小波协方差变换方法反演的边界层高度与1064 nm波长基于小波协方差变换方法反演的边界层高度的相关系数分别为0.87和0.37。边界层高度与地面温度变化趋势一致,表明边界层高度的反演结果是可靠的。二维矩阵方法为进一步改善无云情况下(3 km以内无云层出现)激光雷达自动连续识别边界层高度可靠性提供了很好的借鉴与参考。

为了研究CCD光束成像技术探测臭氧浓度廓线有效探测距离及反演方法，设计了一台硬件探测系统。该系统选用266、280 nm两个波长的连续激光作为差分吸收的光源。基于激光功率、曝光时间、CCD有效接收面积、气溶胶的浓度和臭氧的浓度等主要参数，对探测信号的信噪比进行数值仿真。假设气溶胶分为清洁、污染和重污染三种情况，臭氧浓度分为低和高两种情况，仿真结果表明：在探测误差小于10%的情况下，低臭氧浓度时三种不同气溶胶的条件下，有效探测距离皆大于2 km；高臭氧浓度时，在清洁型和污染型的气溶胶条件下，有效探测距离仍大于2 km，重污染条件下的有效探测距离为1.7 km；臭氧浓度的反演结果与假设高度廓线基本一致。仿真结果有利于了解臭氧浓度廓线探测的CCD光束成像系统的最优参数设定，进而实现对臭氧浓度廓线的有效探测。

风场是水循环、碳循环、气溶胶、污染气体及雾霾的主要动力, 也是大气湍流、风能发电厂、数值天气预报和环保等领域的重要参数。多普勒激光雷达利用多普勒效应, 通过探测发射激光的频率漂移, 可以获得大气风场参数, 因此在众多领域具有重要的应用。首先介绍了多普勒效应和测风激光雷达技术的基本原理, 然后分别从原理和实际应用方面对多普勒测风激光雷达进行了分类。进而系统介绍了相干探测与非相干探测、连续光探测与脉冲光探测、单边缘技术与双边缘技术、FP 条纹与 Fizeau 条纹技术、VAD 与 DBS 扫描等相关技术。最后简要地介绍了地基、机载与星载测风激光雷达的实例, 以及测风激光雷达新技术, 并对多普勒测风激光雷达技术进行了总结与展望。

大气探测激光雷达以精细的时空分辨率、高探测精度和连续廓线数据获取能力成为大气探测强有力的工具。通过激光雷达观测网络和星载激光雷达, 可以获得大空间尺度持续的四维大气信息,满足环境、气象和气候研究的需要。介绍了目前存在的比较重要的激光雷达网络和航天强国 的星载激光雷达计划。主要的激光雷达网络有全球大气成分变化探测网(NDACC)、欧洲气溶胶研究激光雷达观测网(EARLINET)、亚洲沙尘激光 雷达观测网(AD-NET)、美国东部激光雷达观测网(REALM)、微脉冲激光雷达网(MPLNET)和独联体激光雷达网(CIS-LINET),分别介绍了它们 各自的功能、激光雷达类型和站点、日常观测活动与规范。激光雷达空间技术试验(LITE)开启了星载激光雷达的新纪元,之后美国航空航天 局NASA、欧空局ESA和日本宇航局JAXA先后开展了星载激光雷达计划,分别介绍了这些星载激光雷达的科学目标、激光雷达类型及相关参数 以及技术原理。中国也正在筹划研制激光雷达卫星载荷,用于探测大气气溶胶、云和二氧化碳。最后总结说明了激光雷达网络化和卫星载荷的优势和应用。

大气探测激光雷达具有可提供高时空分辨率、高探测精度和连续廓线数据的优势,已经成为大气探测强有力的工具。 激光雷达按照探测技术可以分为米散射激光雷达、偏振激光雷达、拉曼激光雷达、差分吸收激光雷达、 高光谱分辨率激光雷达、瑞利散射激光雷达、共振荧光激光雷达和多普勒激光雷达等。分别介绍了各类激光雷达探测的基本原理、 发展历史及优缺点,及其在探测大气气溶胶和云、水汽、温度、风、痕量气体、温室气体和污染气体等方面的应用。最后进行总结,并对激光雷达技术发展趋势进行了展望。

研究了积分路径差分吸收(IPDA)激光雷达中采用洛伦兹线型代替伏格特线型对机载平台探测CO2柱浓度精度的影响。 建立仿真模型, 讨论两种线型在数据反演中对温度和气压的敏感性, 以及探测相对误差变化随飞行高度的变化。 结果表明: 伏格特和洛伦兹线型得到的吸收截面, 温度和气压敏感性, 相对随机误差分别为0.860%, -0.703%和0.224%, 基本没有差别, 但是洛伦兹线型可以有效地提高光谱参数计算效率。 机载IPDA激光雷达采用洛伦兹线型可以快速高精度反演飞行路径上CO2柱浓度, 降低了对系统计算能力的要求, 有助于实现在飞期间数据实时反演和分析, 以及实施针对突发事件的飞行规划, 同时也有助于进一步实现机载激光雷达系统的小型化和集成化。