瑞利多普勒激光雷达可对平流层和中间层大气的水平风速和温度进行连续观测。中国科学技术大学最新研制的瑞利测风测温激光雷达增加了多普勒频率校准装置，可实现对晴空天气下15~70 km大气的水平风速和温度的高精度观测。分析了该激光雷达系统2018年9~10月在我国西北部地区的水平风速和温度连续观测数据，通过提取风速和温度扰动、频谱分析、重力波模型参数拟合及Hodograph分析，计算重力波的垂直波长、固有周期、水平和垂直传播方向等参数。从224 h的观测数据中共计提取到重力波384个波次。在这些重力波事件中，53.9%的垂直传播方向为向上。风速和温度的波动幅度分别集中在10~20 m/s和10~20 K，70%以上的垂直波长在5~10 km范围内，极少出现15 km以上的波动；水平波长在100～200 km左右，固有周期<5 h的波动占比较大，水平传播方向以西偏北20°和东偏南20°的相向的方向为主导。

亚稳态氦激光雷达通过发射调谐至亚稳态氦原子的1 083.0 nm共振线的激光来探测热层和外逸层的亚稳态氦原子数密度。能够覆盖的探测范围约为200~1 000 km。在这个高度范围内，亚稳态原子密度较小，随着季节的变化，数密度最大通常不超过1 cm-3。中国科学技术大学目前正在研制基于六个1 m口径望远镜阵列和高能量1 083 nm脉冲激光器的亚稳态氦共振荧光激光雷达。雷达的望远镜有效面积约4.8 m2；1 083 nm脉冲激光器采用光参量震荡(OPO)和光参量放大(OPA)技术，以532 nm高能量脉冲作为泵浦光，最终输出单模窄带宽(300 MHz)的1 083 nm脉冲光；接收端采用深度制冷(-120 ℃)的InGaAs探测器，量子效率大于30%，暗计数可控制在100 s-1以内；滤波模块采用干涉滤光片和FPI超窄带滤波串联的方式，最终将滤波半宽压缩到10 GHz左右，峰值透过率55%。综合以上关键技术指标，在数密度较大的季节，信噪比可能达到约400，在数密度较小的季节，信噪比约为10。

针对收发分置氦激光雷达系统,基于连续激光束成像技术,获得了不同收发分置距离下对应的距离分辨率大小,以及单列CCD像素元与高度的对应关系和距离分辨率随高度的变化曲线.对比分析了在不同亚稳态氦原子密度的条件下,系统单列像素元接收到的光子数与探测高度的对应关系,并获得了信噪比和相对误差随探测高度的变化情况.仿真结果表明,增加积分时间可以提高信噪比,在400~1 000 km的高度范围内,积分时间为2 h,距离分辨率为50 km时,信噪比在10~65范围内,相对误差小于10%.研究结果表明采用收发分置氦共振荧光激光雷达系统可实现对热层200~1 000 km亚稳态氦密度的探测,为进一步完善优化收发分置氦共振荧光激光雷达系统的方案提供参考.

对于平流层的高空间分辨率的重力波连续测量和研究非常稀少。近几年中国科学技术大学的瑞利多普勒激光雷达观测了大量的重力波事件, 这得益于激光雷达系统在重力波研究中的优越特性。文中对激光雷达系统作出了一个简单的介绍, 并且展示了位于中国酒泉(39.741°N, 98.495°E), 垂直高度范围在15~60 km, 自2015年10月7日起持续了两个月的重力波夜间观测结果。在对一些重力波事件分析过程中, 对中尺度的水平风速进行了二维波谱分析之后, 发现重力波波动非常明显, 这些波动的波长范围主要集中在3~6 km, 而周期大约为10 h。这些观测结果都肯定了瑞利多普勒激光雷达在重力波观测应用方面的优势。

临近空间风场的探测, 在大气动力学研究和提高数值天气预报的准确性, 以及航空航天保障等方面具有重要意义。研制基于瑞利散射双边缘技术的60 km多普勒激光雷达用于临近空间大气风场的测量。激光雷达主要分为垂直指向测量系统和两台斜指向测量系统。工作波长355 nm, 探测距离15~60 km。为验证系统的可靠性和积累风场观测数据, 于2014年下半年进行了外场实验, 并与当地的探空气球数据进行对比, 结果显示60 km瑞利多普勒激光雷达风场测量数据与探孔气球数据具有良好的一致性。

开展了瑞利测风激光雷达系统性能改进和效率提升研究，改进接收系统光信号的耦合效率、传输效率和采集效率，使改进后的接收机光学效率比原接收机提高1.874倍，解决了系统在紫外波段光学效率低的问题。优化了校准参数，并将标准具表面反射率提高至80%，使激光频率锁定精度满足系统探测精度的需要。增加60 m准静态零风速实时校准管道，消除多普勒零点偏移产生的测量误差，提高了系统探测精度。利用改进的瑞利测风激光雷达进行大气风场探测实验，与探空气球相比风速和风向最大相差6.73 m/s和24.6°，平均相差1.28 m/s和2.65°，获取了多区域高时空分辨率的风场数据，为研究中高层大气变化规律、认识空间环境的区域变化特征提供了必要的数据支持。

报道了一种基于扫描F-P标准具的高光谱分辨低平流层大气温度探测技术。通过扫描F-P标准具,获得大气分子瑞利后向散射的透过率分布。对该透过率进行非线性拟合,由拟合得到的谱宽计算大气温度分布。为了减小频率不稳定引起的系统误差,采用静态的F-P标准具实时监测激光出射频率,并在数据处理中进行补偿。由时间分辨率2000 s的激光雷达原始信号的信噪比,根据最大似然估计误差分析,该方法在30 km以下的探测误差小于1.9 K,50 km以下的探测误差小于9.8 K。在对比实验中,在18～36 km高光谱分辨激光雷达与探空气球探测的温度廓线最大偏差4.7 K;在27～34 km,高光谱分辨激光雷达与瑞利积分激光雷达探测的温度最大偏差2.7 K。在15～27 km,由于气溶胶的污染,瑞利积分激光雷达的温度明显偏离其他两种探测结果,最大偏差达22.8 K。

差分像移激光雷达可以测量随距离分布的大气湍流廓线。在结合测量原理和定性分析的基础上，经过严格的数学推导得到了差分像移激光雷达测量湍流的误差公式，提供了定量分析和改进系统性能的基础：在系统参数确定后，通过合理分配探测点间距以及每个探测点的探测时间可以达到最好的测量效果。根据模拟分析的结果，测量误差主要来源于光斑质心计算误差和有限样本引起的统计误差。近距离测量时，由于接收到的光子信号很强，光斑质心计算误差的影响很小，此时样本统计误差起主导作用；随着距离的增加，光斑质心计算误差的影响越来越大。