对成团泛菌(Pan)、 金黄色葡萄球菌金黄亚种(Sta)、 球芽孢杆菌(BG)和大肠杆菌(EH)四种生物战剂模拟物进行了培养和生长曲线测定, 四种菌的代时分别为0.99, 0.835, 1.07和1.909 h; 设计研制了近场小型荧光测量激光雷达, 266和355 nm波长分别用于测量生物战剂模拟物氨基酸段和NADH段二维荧光谱; 在可控的荧光测量腔室, 测得了分辨率为4 nm的营养态细菌液态气溶胶以及牛血清(BSA)、 卵清蛋白(OVA)两种毒素类模拟物液态气溶胶的二维荧光谱; 二维荧光谱数据表明, Pan, Sta, BG, EH, BSA和OVA气溶胶, 在氨基酸段的荧光谱形与标准荧光组分色氨酸较为一致, FWHM为60 nm, 受培养生化环境、 细菌内部荧光组分及比例的影响, 荧光分子激发态与基态间的能量差增大, 荧光谱带均存在不同程度的蓝/紫移; 在Pan, Sta, BG和EH营养细菌气溶胶中均检出了较弱的NADH荧光组分, 且水、 氮等的拉曼散射不能完全扣除, 光谱锯齿严重, FWHM为100 nm; 二阶求导后的二维荧光谱表明, 荧光谱的高阶处理和分辨识别是可行的。

为了抑制边缘纯转动拉曼光谱成像偏差, 提出了一种高精度测温拉曼激光雷达光谱仪光学系统设计。该系统利用非球面透镜组对光谱仪成像球差进行校正, 针对光谱仪10 mm/nm的线分辨率要求, 采用双光栅结构设计并对测温拉曼光谱仪各参数进行光线追迹, 拟合得到双光栅的入射角、准直镜焦距和聚焦镜焦距的最优值。将拟合最优化结果代入Zemax 软件进行优化分析, 结果显示单个成像光谱成像宽度控制在0.771 5 mm, 间隔0.1 nm的纯转动连续光谱成像中心间隔可以达到1 mm, 满足了线阵探测器对成像质量的要求。通过计算在J=6级的纯转动拉曼后向散射信号对瑞利-米散射信号实现了108抑制, 达到了高精度纯转动拉曼激光雷达测温的目的, 解决了目前双光栅光谱技术无法达到提取355 nm波段纯转动拉曼高光谱精度的要求, 对测温拉曼激光雷达的技术发展有着深远的意义。

与目前广泛应用的532 nm波段的发射波长相比, 采用355 nm波段发射波长进行大气温度观测对分光光谱仪的精度要求更高, 分光光谱仪的线色散率要达到0.1 nm/mm。提出了一种新型高线色散率纯转动拉曼激光雷达分光光谱仪, 通过设计双光栅结构来达到激光雷达纯转动拉曼回波信号分光的目的。利用Zemax软件进行设计, 模拟分析结果显示：间隔0.1 nm的两个相邻光谱在分光光谱仪聚焦镜焦平面处两个相邻谱线中心可以分开1 mm, 满足测温纯转动拉曼分光光谱仪线色散率达到0.1 nm/mm的要求。将实验得到的斯托克斯回波信号强度与理论计算结果进行对比, 验证了纯转动拉曼雷达中应用双光栅光谱仪的可行性。

基于非球形粒子偏振特性,设计并试制了近场偏振激光雷达。该系统包含二个激光光源和退偏组件,激光束的线偏振度为1/500,偏振和 弹性散射信号由孔径200 mm的卡塞格林望远镜接收。在一个半封闭的生物气溶胶腔里,对10种生物气溶胶,按355, 532, 1064 nm的顺次 进行线偏振测量。数据分析结果表明,退偏比表现出较强的波长依赖性; 利用欧氏相关度和马哈拉诺比斯距离,可以确定多波长线偏数据的差异,并对生物气溶胶进行分辨。

基于激光诱导荧光(LIF)原理和弹性散射作用于非球形粒子上产生的偏振特性, 设计研制了短距测量荧光和偏振激光雷达: 采用了三个激光光源、两个接收望远镜、一个退偏组件和一个荧光光谱特征分析光谱仪, 设计遥测探测距离为200 m至数千米。荧光测量采用了Nd:YAG激光器的三倍频355 nm和4倍频266 nm输出, 激光束脉冲宽度约为6 ns, 重复频率为20 Hz, 荧光接收光学及光谱分析子系统由25.0 mm口径的f/4牛顿望远镜, 车尔尼特纳光谱仪和32通道的光电倍增管(PMT)等组件组成; 偏振和弹性散射信号由孔径12.5 mm的卡塞格林望远镜接收。荧光测量的信噪比仿真计算表明: 以最小SNR=10作为参照, 在1 km距离上, 白天探测不到数浓度为10 000个/升的战剂云团, 但在夜间则可以获得较好的信号强度; 偏振测量结果初步分析表明: (1)退偏比表现出较强的波长依赖性; (2)多波长退偏比测量可以显著提高生物战剂的鉴别能力。

基于激光诱导荧光(LIF)原理和弹性散射作用于非球形粒子上形成的偏振特性，设计并研制由3个激光波长、2个接收望远镜、退偏组件和荧光光谱仪等组成的生物战剂/气溶胶Mie散射、荧光和偏振激光雷达。退偏比的水平测量结果表明: 1) 退偏比表现出较强的波长依赖性; 2) 多波长退偏比测量可以显著提高生物战剂的鉴别能力。退偏比的垂直测量结果表明: 气溶胶在边界层内总体上维持在较低的水平，在温湿压风等气象条件和光生化条件的作用下，对流层底层空变化明显，在部分云团处，退偏振比可达0.3; 气溶胶的Mie散射时空分布表明，355 nm波长的测云能力在激光出射能量相当时较532 nm强。

扫描激光雷达可以获取大气剖面，对于了解边界层与云的结构、污染物分布与输送有重要的作用。斜程扫描下，天顶角较大时传统Fernald和Klett消光系数反演方法不再适用，可采用经典两角度方法对激光雷达常数进行校正，进而获取大气消光系数。但经典两角度法求解雷达常数时存在多解问题，如何设定约束条件求取最优解是较难解决的问题。从经典两角度方法出发，在两条斜程上筛选出的大气缓变区域，假定水平均匀，通过线性回归的方法估算雷达常数，并采用一系列约束条件以求取雷达常数最优解，最终得到斜程扫描下消光系数分布，较好地解决了两角度测量中多解问题求解的困难。通过实验验证，即使在天顶角较大或者信号质量不是很好的情况下，消光系数反演依然能够获得较好的效果。结果表明，该方法能够很好地反映出大气的空间结构。

利用拉曼米散射偏振激光雷达对2009年11月珠江三角洲地区出现的一次灰霾天气过程进行了观测研究,对颗粒物 的光学性质和物理参数进行了分析。灰霾发生期间,颗粒物主要分布在1.5 km以下,其中0.6~1 km高度的浓度 较大。灰霾发生前期,颗粒物在532 nm波长退偏比为0.2, Angstrom指数和雷达比分别为1±0.4和 40±8 sr, 表明灰霾颗粒物中有大量非球形粒子,粒径大,符合一次污染源排放的颗粒物特征; 11月25日后,颗粒物在532 nm波长 退偏比逐渐变小至0.07±0.02, Angstrom指数为1.5±0.6,激光雷达比为56±12 sr,说明颗粒物 多为球形粒子,细粒子占比较大。观察结果表明,前期轻度灰霾天气期间,颗粒物主要为人为源污染源排放,为大 气复合污染提供了条件,随着污染物不断聚集,25日后二次颗粒物大量生成,加剧了灰霾污染。

差分吸收激光雷达发射光束与接收视场的重叠区域用几何因子函数来描述, 几何因子是差分吸收激光雷达的重要参数。 提出了一种实验方法,实验使用米散射激光雷达和差分吸收激光雷达同时测量信号,通过对比分析两台激光雷达 采集信号计算得到的气溶胶散射比廓线,获得差分吸收激光雷达的几何因子。该方法的优点在于不需要预先得到 精确度高的激光雷达参数,比如望远镜直径,光束发散角,望远镜接收视场角等。该方法的应用有利于减少近 地面差分吸收激光雷达测量臭氧廓线的误差,提高差分吸收激光雷达的探测性能,有助于研究近地面层的臭氧时空分布特征。

差分吸收激光雷达探测对流层臭氧浓度时, 气溶胶的干扰会造成较大的误差。 提出了一种算法, 该算法能够同时反演得到对流层臭氧浓度和气溶胶消光系数, 减少气溶胶对反演结果的影响。 使用实验数据, 分析计算了气溶胶雷达比, 气溶胶波长指数、 标定点气溶胶后向散射比各种变化参数对反演结果的误差。 结果表明, 1 km以下, 各种变化参数造成的反演误差小于8%, 1 km以上臭氧浓度误差主要来源于信号和背景噪声, 各种参数反演误差小于3%。 最后给出了利用该算法得到对流层臭氧浓度和气溶胶的消光系数垂直廓线, 并和传统的双波长差分算法反演结果作了比较分析。 实验结果表明该算法是可行的, 该算法可以减少气溶胶对差分吸收激光雷达测量结果引起的误差。