复杂地物目标的近垂直后向散射特征是影响雷达高度表回波波形的重要因素之一。对近垂直后向散射系数的获取主要采用基于参数模型的实测数据拟合方法, 但一般只适用于地势平坦且介质相对单一的地海面目标。本文基于机载雷达高度表, 针对复杂地物目标的距离-多普勒图像仿真实验数据和实测数据, 利用距离-多普勒域和地球空间域的映射关系, 提出一种后向散射系数的反演算法, 并对得到的后向散射系数进行定量分析。实验验证了提出的反演算法具有一定的适用性和参考性。

结合毫米波雷达和双波长激光雷达对水云粒子进行微物理特性和光学特性建模，构建水云粒子有效半径与反射率因子-消光比、反射率因子-后向散射比的关系。通过假设参考高度处的云滴粒子有效半径和下一个距离门处的雷达比，以双波长反演的有效粒子半径和后向散射系数反演误差为约束条件得到边界值处的后向散射系数。进而，利用 Fernald后向积分方法反演水云天气下的气溶胶后向散射系数廓线。仿真结果与所提方法处理后的粒子有效半径一致性系数为0.98，与双波长后向散射系数的一致性系数均为0.81。实际处理结果表明，所提方法能够改善水云天气下气溶胶反演的连续性，得到相对准确的后向散射系数。

为了保证雷达观测数据的准确性, 2017年9月中国气象局气象探测中心在国内首次开展了组网气溶胶激光雷达标定实验, 通过采用单部雷达的光电系统标定和基于统计分析策略的多部雷达比对观测标定方法, 对组网试验雷达共有的532nm米散射通道进行了检查标定。结果表明, 标定完成后, 532nm通道的后向散射系数的相对标准差在1km~2km高度范围从90.8%降低到20.4%, 在2km~5km高度范围从244.3%降低到了35.9%, 数据质量得到了较大提高。此次气溶胶激光雷达标定试验, 使雷达后向散射系数差异显著减小, 大大地改善了雷达观测数据的一致性, 这将为气溶胶激光雷达组网应用提供很好的硬件质控保证。

悬浮颗粒物的质量比后向散射系数（bbp*）主要受颗粒物的成分、大小等因素影响，研究其变化特性对于揭示水体中颗粒物种类、时空分布以及提升水色遥感定量化精度等具有重要意义。本文利用Mie理论，对海水中常见的具有不同粒径分布、相对折射率及表观密度的多种藻类和无机矿物颗粒的质量比后向散射系数进行了模拟计算。研究发现：当粒径分布斜率ξ相同时，无机矿物颗粒的平均bbp*约为藻类颗粒的2倍；ξ为4.0时，无机矿物颗粒和藻类颗粒在532 nm处的平均bbp*分别为（9.12±3.18）×10^-3 m²·g^-1和（4.09±0.48）×10^-3 m²·g^-1；藻类颗粒具有较低bbp*的主要原因是其折射率实部较低。黄东海实测数据研究结果表明：bbp*的空间变异性低于后向散射系数，当无机颗粒质量浓度在总颗粒物中占主导时，平均bbp*(532)为8.46×10^-3 m²·g^-1；而有机颗粒物占主导时为3.63×10^-3 m²·g^-1，前者为后者的2.3倍。实测bbp*随有机颗粒物质量浓度占比的增大呈乘幂函数形式减小，结合模拟结果，发现研究区水体颗粒物的粒径分布斜率ξ的变化范围为3.6~4.2，对于有机颗粒占主导的远岸水体，ξ约为3.9，而在长江入海口附近水域，悬浮颗粒物的质量比后向散射系数因受粒径分布变化的影响具有较大的变化幅度。。

云和气溶胶探测激光雷达(Cloud-aerosol lidar with orthogonal polarization, CALIOP)能够发射532 nm 和 1064 nm 两种波长激光脉冲,主要用于大气中云和气溶胶的探测。532 nm激光脉冲在海洋表面有很好的穿透性,能获得海表以下的 后向散射信号。利用CALIOP数据对直接提取水下信号和瞬态响应校正提取水下信号两种方法进行对比研究。首先,反演 得到海洋次表层水下信号,进而反演海洋颗粒物后向散射,并与中分辨率成像光谱仪(Moderate-resolution imaging spectroradiometer, MODIS)反演的颗粒物后向散射进行对比。颗粒物后向散射差值的均值分别为0.0035、0.0027; 标准偏差分别为0.4004、0.0042。表明校正方法反演的颗粒物后向散射与MODIS反演颗粒物后向散射更为接近。

利用大气颗粒物激光雷达观测数据、地面监测站数据和铁塔上搭载的超声波风速仪测量得到的风场数据(简称“铁塔风场数据”),对2018年1月16日至1月18日浙江北部地区的一次污染过程及特征进行了分析。本次污染过程主要受区域污染物传输影响。激光雷达观测结果表明:受西北风影响,16日12时开始,西北方向城市的污染物开始向宁波传输,颗粒物浓度迅速升高,17日18时之后风向转为较弱南风,污染开始消散;532 nm通道的距离平方校正信号与近地面污染物浓度的变化趋势一致;退偏振比、波长指数的结果显示,0.5~1 km高度处的污染物与近地面污染物为两种不同的类型。HYSPLIT后向轨迹模式结果表明,该污染气团来自宁波的西北方向城市,且气团输送速度较快,HYSPLIT模式结果与铁塔风场数据分析结果一致。可见激光雷达的探测结果能够有效地表征颗粒物浓度的空间分布以及演变,并为大气污染的监测和预警提供理论依据。

利用中国气象局南京综合观测基地的Rayleigh-Raman-Mie激光雷达,对南京北郊对流层气溶胶进行观测分析。通过软阈值滤波的小波去噪方法对波长为607 nm的Raman回波信号进行平滑,利用激光雷达Raman通道的实验数据反演对流层高空的气溶胶消光系数,结合波长为532 nm的Mie散射信号反演对流层高空气溶胶后向散射系数和激光雷达比。实验结果表明:软阈值滤波的小波去噪方法可以很好地去除噪声信号,提高反演结果的准确性;在晴空的天气条件下,南京北郊高空气溶胶消光系数的变化范围为0.03~0.07 km ^-1,后向散射系数变化范围为0.011~0.024 km ^-1·sr ^-1,激光雷达比的变化范围为22~52 sr,表明南京北郊高空存在一定含量的气溶胶;实验期间测多次测得卷云,卷云的激光雷达比为17 sr±10 sr。

目前直接探测PM_2.5质量浓度高度廓线有一定的困难,但可以通过一定的关系把激光雷达探测出的气溶胶后向散射系数高度廓线转化为PM_2.5质量浓度高度廓线。在把气溶胶后向散射系数廓线转化为PM_2.5质量浓度的过程中,气溶胶吸湿因子是一个关键的参数。激光雷达系统可探测气溶胶后向散射系数在近地面的高度分布廓线,PM_2.5质量探测仪可探测所在处的PM_2.5质量浓度和大气相对湿度。将这两种仪器置于同一地点同时进行探测,以获取同一地点同一时间的气溶胶后向散射系数、PM_2.5质量浓度和大气相对湿度。在理论的指导下对所探测的数据进行拟合,可得出吸湿因子的表达式。对2016年5月—2017年10月合肥地区仪器所在地的气溶胶后向散射系数、PM_2.5质量浓度和大气相对湿度的探测数据进行拟合,获得了PM_2.5质量浓度与气溶胶后向散射系数之间吸湿因子的变化规律。

土壤水是全球生态系统的重要组成部分, 定量遥感估测喀斯特石漠化地区土壤含水率, 可为石漠化治理和生态恢复工作提供基础数据和理论支撑.通过Sentinel-1A和Landsat 8影像数据, 运用水云模型提取灌木林地和疏林地的土壤后向散射系数, 并计算旱地与有林地的TVDI.并结合实测数据, 利用拟合分析对不同深度土壤含水率进行建模, 从而对土壤含水率进行反演.结果表明VH极化二次曲线模型和VH极化三次曲线模型分别适用于灌木林地0~5 cm和5~10 cm深度的土壤含水率反演, 其R2和RMSE分别为0.87、0.87和4.57%、4.29%.疏林地0~5 cm和5~10 cm深度土壤含水率反演宜选用VH极化指数回归模型和VH极化下的线性回归模型, 各模型的R2与RMSE分别为0.736、0.72和9.77%、11.28%.三次曲线模型和Logistic回归模型分别适用于旱地和有林地的土壤含水率的反演, 各模型的R2与RMSE在0~5 cm深度分别为0.85、0.69和2.88%、4.02%, 在5~10 cm分别为076、0.23和3.5%、6.37%.