研制出一种可以在船载平台下完成气溶胶测量的太阳光度计。仪器采用两段式图像跟踪方法，首先利用鱼眼成像系统对太阳进行粗跟踪，之后通过精跟踪成像系统来提高跟踪精度，并阐述了二维转台、图像跟踪系统、测量光路的工作流程。利用船载平台太阳光度计在渤海湾进行长期观测，渤海湾日平均气溶胶光学厚度多集中在0.1~0.3范围内，大气较为洁净，且夏季大气以细粒子为主，而深秋大粒子占据主导地位。将所得结果与日本POM-01 MKⅢ船用太阳光度计的测量结果进行对比，发现气溶胶光学厚度日变化趋势基本相近，决定系数可达到0.968，其平均相对测量误差为4.83%，?ngstr?m 指数平均相对测量误差为2.55%。所得结果验证了船载太阳光度计的可靠性与稳定性，并且可以进一步利用可见光到近红外的辐射信息反演其他大气参数的光学特性。

为了同步获取夜间晴空视线无云下整层大气透过率和水汽总量,将望远镜、多波段滤光片与近红外增强型CCD相结合,搭建了利用恒星辐射进行测量的研究平台。首先通过望远镜收集恒星辐射,辐射通过分波段滤光片滤光,利用CCD采集恒星图像。进一步提取拍摄图像的灰度值,采用Langley标定法计算整层大气透过率,同时利用改进的Langley法计算大气水汽总量。对测量结果、激光雷达和微波辐射计的测量值进行比较,验证了测量方法的可靠性。所开展的工作丰富了夜晚同步测量整层大气透过率和水汽总量的手段,对空间遥感和气象研究有一定的应用价值。

整层大气透过率是反映大气光学特性的一个重要参数, 在激光大气传输、红外辐射传输的研究以及光电系统的工程应用中都具有非常重要的研究意义。介绍了激光外差技术的测量原理, 并着重介绍了利用激光外差光谱技术高分辨测量整层大气透过率的原理和方法, 以及同步反演水汽廓线分布、柱浓度的方法。进而介绍了课题组研制的 4.5 μm、3.53 μm 波段高分辨率激光外差光谱仪, 光谱分辨率分别达到了 0.006 cm-1、0.002 cm-1, 以及利用这些测量装置在合肥开展的整层大气透过率测量与水汽浓度反演的典型结果。最后对激光外差技术在光电系统工程应用中的后续发展进行了展望。

为了实时测量多个波段激光大气透过率, 研制了ISP02型近红外太阳辐射计。详细阐述了该仪器的硬件组成、光学系统设计以及工作流程, 并对仪器进行了定标, 给出仪器能达到的性能指标。依据建立的基于太阳宽谱直接辐射测量获取激光波段大气透过率的方法, 实测得到1.064, 1.315, 1.54 μm大气透过率, 将结果与POM02型太阳辐射计采用外推法获取的激光大气透过率进行对比, 误差均小于6%, 测量的水汽总量与POM02对比, 误差均小于7%; 然后, 将两者外推的3.78 μm透过率进行对比, 误差均小于5%。秋冬季实测的1.315 μm透过率与激光大气传输评估软件对比, 误差小于2%。该仪器测量结果可靠、性能稳定, 可为同时获取多个波段激光大气透过率提供有效测量手段。

随着激光技术在众多科学领域的应用,激光波段大气透过率的实时获取尤为重要。基于测量和模拟结果研究,提出基于太阳辐射计的宽谱直接辐射测量提取红外波段激光大气透过率的方法,该方法低成本、高时效、可同时获得多波段的激光大气透过率。对比研制的ISP型近红外太阳辐射计与POM02的实测结果可知:对应波段透过率和水汽总量误差都小于7%;由1.31 μm与1.32 μm分别提取到1.315 μm波段的透过率,两者误差小于4%,提取的误差与水汽含量成正比,并由1.32 μm反演得到水汽总量,与0.94 μm反演得到的水汽总量结果对比,误差小于10%。因此,在无0.94 μm波段测量时,可以考虑用1.32 μm波段反演水汽总量。将该方法与激光传输评估软件根据实时测量的大气参数模拟计算得到的1.315 μm激光大气透过率进行对比,误差小于6%。该方法对激光工程在实际大气中的应用具有参考价值。

大气辐射传输的计算精度在很大程度上依赖于大气参数的精度。建立局地的大气参数模式在光电工程的大气传输计算中将有重要应用。利用目前可获得的探空数据、卫星观测数据、地面站点的观测数据初步建立了我国不同地域的大气参数模式, 包括地面至120 km高度的温度、湿度、气压的逐日、逐月、逐年高度分布廓线、地面能见度的月平均分布, 覆盖我国91个气象探空台站。并把这些大气参数模式用在通用大气辐射传输计算软件（CART）中计算大气透过率和大气背景辐射。文中展示了5个台站的大气参数时空分布以及用CART计算的大气窗口波段的透过率、大气热背景辐射逐月分布及其在我国地域的空间分布。

常用温度脉动仪测量湍流的频谱，频谱范围多在20 Hz以下，无法呈现大气温度起伏的高频特征。介绍一种宽频带低噪声温度脉动仪的设计方法，研制出相应的仪器，并进行了真实大气温度起伏测量实验。结果表明，大气温度起伏具有丰富的高频信息，温度起伏功率谱在更宽的频率范围内存在幂率不变性，部分温度谱在高频部分出现拐点，以更陡的幂率下降，湍流谱的形状以及拐点出现的位置和湍流强度有一定的关系。拓宽了温度起伏功率谱的研究范围，为光波传输的理论研究和技术应用提供了高频湍流谱信息，为非Kolmogorov湍流研究提供了测量手段。

利用Kolmogorov谱、修正Hill谱和Rytov改进模型三种大气湍流功率谱模型,得到了光强闪烁激光雷达探测路径上闪烁指数与大气折射率结构常数之间的关系。分析了不同内尺度下大气湍流强度的变化情况,并与不考虑内尺度的情况进行了比较。结合实验数据对比分析了内尺度对光强闪烁激光雷达在探测大气湍流时的影响程度,结果表明在内尺度的取值变化范围内,采用修正Hill谱时,理论上有限内尺度的折射率结构常数与不考虑内尺度时折射率结构常数的比值可达9,实验中传输距离为1020 m和2040 m的传输路径上两者最大偏差为0.4和0.1个量级;Rytov改进模型下,理论上有限内尺度的折射率结构常数与不考虑内尺度时折射率结构常数的比值可达6,实验中同样传输路径上两者最大偏差为0.6和0.3个量级。理论和实验结果表明:有限内尺度的折射率结构常数测量结果在一定程度上偏离不考虑内尺度的折射率结构常数,且影响程度与激光传输距离和内尺度的大小有关。因此,在光强闪烁激光雷达的大气湍流探测过程中,必须考虑内尺度效应。