回顾和总结了远红外高光谱大气遥感的理论基础，从大气吸收和冰晶粒子散射敏感性的角度介绍了远红外高光谱遥感冰云参数的优势。对远红外高光谱大气遥感仪器的发展脉络进行了梳理和总结，重点对相关仪器的参数及关键技术问题进行了讨论。概述了远红外高光谱冰云特性遥感的主要方法，展望了远红外高光谱技术未来在冰云探测中的应用潜力，并提出了研究思路与方案，以为后续远红外高光谱大气遥感技术研究提供一定的参考。

准确获取飞秒激光成丝横截面图像及其沉积能量空间分布信息，对于成丝动力机制研究和促进诸多基于光丝的实际大气应用发展具有重要意义。本文基于热传导方程和波动方程构成的光声信号前向仿真模型，理论模拟了利用环阵式光声层析系统接收飞秒激光在空气介质中成丝诱导产生超声脉冲信号的过程；然后，利用延迟叠加算法对飞秒激光大气传输成丝沉积能量横向分布图像进行了反向重建，并分析了测量系统中关键器件超声换能器的中心频率、带宽、表面尺寸和探测表面灵敏度等性能参数对光丝沉积能量分布图像重建结果的影响。结果表明，单丝诱导产生的声压脉冲信号频谱为单峰结构，而多丝声压脉冲信号频谱为多峰结构；相比于单丝图像重建，多丝图像重建受“孔径效应”影响更显著；换能器的性能参数对光丝图像的重建效果有显著的影响，换能器的带宽越大、表面直径越小，以及表面灵敏度系数越大，越有利于光丝沉积能量分布图像重建效果的提升。该研究结果可为真实大气条件下飞秒激光传输成丝沉积能量空间分布的实验测量提供一定的理论支撑。

为了实现对飞秒光丝内部空间结构特征的精细化描述，通过对光丝诱导形成超声信号的正向传播过程进行精细化模拟，然后采用通用反投影算法（UBP）、延迟叠加算法（DAS）和超优光声非负重构算法（SPANNER）等多种光声层析图像重建算法进行反向重建，理论验证了利用多元线性阵列探测的方式重建飞秒单丝和多丝轴向r-z截面图像的可行性。结果表明，当探测距离为3 mm时，单丝和多丝诱导形成的超声信号最大频率约为5 MHz；光声层析法能够较为准确地实现对单丝位置、r-z截面轮廓等信息的反演，但是不同图像重建算法重建效果差异较大。UBP重建算法对单丝的重建存在较为明显的伪影现象；DAS重建算法由于受到“有限孔径效应”的影响，高估了光丝的直径；SPANNER重建算法由于使用最优理论来改进非线性共轭梯度算子，实现了非负性和各向异性总变分正则化，可有效避免噪声干扰，因而对多丝图像的重建效果最好。该研究结果对于揭示光丝结构特征和促进基于光丝的大气应用研究具有一定的参考价值。

大气粒子多角度散射特性包括散射函数及散射相 矩阵 (也称“Müeller矩阵"), 两者不仅是辐射传输模拟的基本输入参数, 同时也是大气粒子微物理性质的载体。由于其基础性地位, 大气粒子多角度散射特性测量技术一直是大气科学领域的研究热点。对大气粒子散射函数及 Müeller 矩阵测量技术的研究现状进行了综述, 主要内容包括以下四个方面: (1) 从大气粒子微物理特征的不确定性、数值计算方法的局限性和复杂性出发, 分析了大气粒子光散射研究中存在的困难, 指出发展大气粒子散射函数及Müeller矩阵测量技术的必要性; (2) 概述了可见近红外波段的多角度散射观测技术研究现状, 将可见近红外波段测量仪器分平面旋转接收型、固定接收型和镜面反射型三类, 重点讨论了不同设计方案的优缺 点; (3) 介绍了基于微波比拟技术测量单粒子散射特性的研究现状及其优势和劣势; (4) 总结了多角度散射特性测量技术研究中存在的问题, 并展望了多角度散射测量技术的发展方向。本工作可为后续的大气粒子光散射测量技术研究提供一定参考。

为提高地基红外测云系统全天空云检测的准确性,通过辐射传输模式SBDART模拟大气向下红外辐射与云光学厚度之间的对应关系,发现利用云的光学厚度拟合曲线反演云的光学厚度具有可行性,然后在此基础上提出了一种利用红外和激光联合反演云光学厚度的方法。通过建立更精确的适用于特定地区和特定季节的大气廓线和水汽含量,利用激光消光廓线较精确地反演气溶胶和云底高,并将以上获取的大气参数代入辐射传输模式SBDART,模拟得到了云的光学厚度反演曲线,从而反演出全天空云的光学厚度分布。实验结果表明,通过单层云和两层云的光学厚度反演曲线反演得到的全天空光学厚度分布与全天空辐射分布保持一致,能够较清晰地分辨全天空不同高度云层的光学厚度。

基于分层散射介质传输模型的概念,建立了综合考虑非线性光学效应、湍流扰动及粒子散射的飞秒激光云雾传输模型。利用该模型数值模拟了大气湍流和粒子散射等大气扰动类型对飞秒激光传输成丝动态演化过程的影响。结果表明,大气湍流能使脉冲形状产生不规则变化,对自聚焦成丝过程中的脉冲能量流动有重要影响;粒子散射可以使脉冲能量明显衰减,从而影响光丝的形成过程;飞秒激光在云雾环境中传输时,粒子数浓度越高,粒子半径越大,则形成光丝的长度越短,成丝过程中能量衰减越快,脉冲能量的总衰减量越多。研究结果可为真实大气条件下飞秒激光实际应用效能评估提供一定的理论依据。

近些年, 飞秒激光成丝诸多非线性效应及其潜在应用逐渐成为超短脉冲激光领域研究的重要方向之一。飞秒激光成丝诱导水汽凝结、降雪和破碎冰晶二次增长等方面的探索研究, 为人类寻找主动控制天气的新技术指明了方向, 具有重要的科学意义和应用前景。首先, 重点分析梳理了飞秒激光成丝诱导形成水凝物的观测和机理研究进展; 然后, 讨论了飞秒激光诱导水凝物形成机理研究中尚待解决的关键科学问题, 以及对该领域未来发展方向做了展望。

在基于红外高光谱辐射数据进行大气遥感方面的研究中, 准确模拟红外高光谱数据是很重要的一步。 分析了红外高光谱辐射仪的测量原理, 建立了基于Atmospheric Radiation Transfer Simulator(ARTS）的考虑仪器干涉图截断与离散化处理过程的正向模型。 在该正向模型中, 首先采用高光谱辐射传输模式ARTS模拟得到离散化理想光谱, 通过逆傅里叶变换将理想光谱转化为干涉图, 对干涉图加窗截断处理, 模拟仪器响应函数对干涉图的影响, 最后采用傅里叶变换得到仪器测量光谱。 在这一过程中, 窗口函数的选择取决于仪器的干涉图截断方式。 未经过切趾处理的仪器, 其对应的窗口函数为矩形窗口; 经过切趾函数处理, 可以减少干涉图截断造成的能量泄露现象。 逆傅里叶变换与傅里叶变换过程中必须满足Nyquist采样定律。 基于已建立的正向模型, 模拟了Atmospheric Emitted Radiance Interferometer (AERI)在Southern Great Plains (SGP)站点的108组晴空辐射数据, 并与AERI的实测结果进行比较分析, 结果发现理想光谱与AERI实测光谱在吸收线上差异较大, 最大残差达到35 mW·sr-1·m-2·(cm-1)-1（简称RU）以上, 增加干涉图截断过程后, 模拟光谱与实测光谱的最大残差减小到10 RU以内。 截断过程的增加对模拟光谱的精度有明显提高, 尤其在吸收线上, 模拟光谱明显被平滑, 模拟精度显著提高。 进一步分析六种常用窗口函数截断处理的结果与AERI实测数据的残差, 结果发现, 模拟过程中选择窗口函数为矩形窗口时, 模拟光谱与AERI实测数据残差最小, 基本可以约束在5 RU以内, 确定了AERI的干涉图截断方式可以近似看作矩形截断。 另外, 在理想光谱转换为干涉图的过程中, 理想光谱分辨率的选择决定了干涉图信息的采样率以及ARTS的计算效率, 因此综合考虑模型计算精度和模型计算效率, 确定最佳的理想光谱分辨率对于提高模型计算效能是非常必要的; 基于此, 本文模拟了不同理想光谱分辨率下的仪器测量光谱, 对比分析了模拟光谱与AERI实测光谱的残差分布, 并讨论了光谱分辨率对模型计算耗时的影响。 结果表明, 对于AERI, 在对应的正向模型中设置理想光谱分辨率为0.241 1 cm-1时, 可在保证模型准确度的前提下, 最大化模型计算效率。

非球形气溶胶穆勒散射矩阵的不确定性是影响偏振遥感精度的重要因素。在自主研制的时域多分辨率(MRTD)气溶胶散射模型中,穆勒散射矩阵的计算需要以远场电场值为基础,因此近远场外推过程成为制约其模拟精度的重要环节。为确定适用于MRTD散射模型的最佳近远场外推方案,在球形和非球形粒子情形下,系统地对比分析了基于惠更斯原理的表面积分方案以及基于电介质亥姆霍兹方程的体积积分方案所对应的穆勒散射矩阵的模拟精度。结果表明,虽然两种近远场外推方案均可有效准确地实现近远场外推,但从穆勒矩阵的计算误差分布上看,基于体积积分原理的近远场外推方案性能更优。

垂直腔面发射激光器因其具有低阈值、低功耗、可实现高速调制等优势, 广泛地应用于光通信和光互连等领域。寄生电容是影响激光器的调制带宽的主要因素之一。本文通过采用低k值的苯并环丁烯（BCB)平整技术有效地降低了垂直腔面发射激光器的寄生电容。详细研究了BCB平整技术的最优工艺参数, 为未来高速垂直腔面发射激光器的制造技术提供参考。低k值BCB平整垂直腔面发射激光器在7 μm氧化孔径下3 dB小信号调制带宽可达152 GHz。