2017年11月1日~2018年5月15日在济南市泉城广场空气质量监测点位开展微脉冲激光雷达水平探测，实验期间能见度、常规污染物浓度以及PM2.5化学组分同步观测，定义能见度仪所在处为参考层处，采用Fernald方法计算水平气溶胶消光系数，进一步利用线性回归模型建立PM2.5浓度、消光系数、PM2.5化学组分之间的关系式，通过趋势比对、相关系数和标准化平均偏差研究该关系式的反演精度。结果显示：结合能见度仪反演消光系数更为准确；反演的消光系数与PM2.5质量浓度之间具有较好的正相关关系(相关系数R=0.75)，同时消光系数、PM2.5质量浓度均与PM2.5化学组分中的SO■■、NH■■ 、OC、NO■■、EC有较高的相关性，利用线性回归模型建立PM2.5浓度、消光系数、PM2.5化学组分之间的关系式，该定量关系式反演的PM2.5质量浓度与实际监测值在趋势上基本一致，二者相关性较好，相关系数为0.83。标准化平均偏差为18%，相对偏离程度较小。

为了提高斜程能见度的计算精度, 提出了一种基于Fernald-PSO法求解气溶胶激光雷达比的方法.首先, 以均匀层底部和顶部的大气消光系数相等为条件构建气溶胶激光雷达比和气溶胶消光系数边界值的方程.然后, 再以激光雷达数据反演和AERONET网站观测的气溶胶光学厚度相等为条件构造另一参量方程.最后, 采用Fernald-PSO法解方程组, 用得到的参量反演气溶胶消光系数计算斜程能见度.采用激光雷达和AERONET数据对该方法进行验证, 分析气溶胶激光雷达比对斜程能见度反演的影响.结果表明, 同一信号气溶胶激光雷达比假设值与计算值相差越大, 气溶胶消光系数和斜程能见度的相对误差绝对值也越大, 最大误差分别为18.93%和19.90%.

大气气溶胶对人类健康、环境和气候系统具有重要的影响.微脉冲激光雷达(MPL)是一种新型的探测大气气溶胶水平分布的有效工具,而消光系数的反演和误差分析是其数据处理的重要内容.为了探测近地面大气气溶胶的水平分布情况,采用分段斜率法和Fernald算法对合肥地区实测MPL水平数据进行了消光系数反演,并将反演结果进行了对比和误差分析.误差分析表明,分段斜率法和Fernald算法的误差分别主要来源于其理论模型和多个假设条件.虽然分段斜率法和Fernald算法应用于大气水平消光系数的反演都仍存在一定的问题,精确度有待提高,但都能在一定程度上反映出气溶胶粒子的时空分布特征,与前向散射能见度仪的测量结果相关性都能达到95%以上,具有一定的可行性.且相对来说,Fernald法更适用于大气非均匀分布情况下消光系数的反演.

激光雷达通过接收微弱的回波信号进行大气探测，具有高时空分辨率等优点，但由于受到强烈太阳背景光的影响，激光雷达白天探测的信噪比提高受到限制，难以对大气物理参数及大气边界层进行全天时同等性能观测。针对此问题，研制了一种新波长、工作在夫琅禾费暗线下的光子计数激光雷达，进而利用夫琅禾费光子计数激光雷达对青岛市郊的大气边界层进行观测实验。发射激光选取太阳暗线波长，激光雷达白天探测的信噪比提高了2~3倍，昼夜探测性能相当。由探测数据反演得到的消光系数显示了2011年夏季青岛郊区大气边界层气溶胶的垂直分布结构特征。

介绍了多普勒激光雷达于2011年3月21日至4月19日期间在北京南郊进行的观测实验, 利用Fernald方法对气溶胶消光系数进行了反演和重点分析。结合同一时段探空气球得到的数据, 分析大气结构及其变化。观测数据表明:在晴朗无云并且大气较为清洁的条件下,气溶胶消光系数从低空向高空平缓递减； 遇到多云天气,气溶胶消光系数会在云层处增大;另外,低空的气溶胶消光系数有较明显的日变化特征, 早上相较于晚上要低些。实验期间,地面至10 km的气溶胶平均光学厚度在0.52。

差分吸收激光雷达测量臭氧浓度过程中, 云层信号会造成对流层臭氧浓度剧烈的抖动, 带来了很大的测量误差.本文提出了一种云消除算法, 该算法通过插值云层高度区域内的臭氧浓度, 有效消除了对流层臭氧浓度的剧烈抖动.通过阐述其理论基础, 给出了其算法关键点, 即云信号的识别和云高度的精确定位.根据云层消光系数的特点, 通过设定气溶胶消光系数阈值获取云层高度信息, 利用累加平均有效减少噪音造成的测量误差.结果表明, 在精确确定云高、云底的基础上, 运用线性插值算法对臭氧测量结果进行修正, 可以有效克服云层对测量结果造成的急剧起伏.

米氏(Mie)散射激光雷达在大气气溶胶和云层的空间分布监测中应用非常广泛, 但对其回波信号进行自动准确的云检测仍存在一定的困难。微分零交叉法是目前应用最多的算法之一, 但是在信噪比较低情况下会造成较多误判。根据激光雷达回波信号的特点, 对微分零交叉法进行了改进。改进的算法中参考了候选点信号强度特性和前后时刻的云层信息, 有效地修正了一些较为明显的误判。最后根据云检测结果对云消光系数和光学厚度进行了反演, 较为客观地反映了云层内部光学参数的变化特性, 初步实现了较为精确的激光雷达自动云检测和参数反演。

微脉冲激光雷达(MPL)是探测大气气溶胶和云的有效工具。为了解气溶胶和污染物在城市近地面范围内的水平分布情况，使用自行研制的MPL开展了气溶胶和污染物水平分布的探测研究。对实测的水平数据，尝试采用分段斜率法和Fernald方法计算气溶胶和污染物消光系数的水平分布。研究表明，运用分段斜率法和Fernald法计算MPL水平数据均是可行的。

进行低空探测的机载激光雷达消光系数反演存在着标定点选取和标定值确定两大困难。Fernald迭代后向积分法能够在不利用其它辅助设备的情况下,找到进行低空探测机载激光雷达消光系数反演所需的标定点和标定值。利用Fernald迭代后向积分法和Palm et al.(2002)方法分别对青岛机载激光雷达实验数据进行处理,得到的两条消光系数廓线基本吻合。定量分析显示：利用Fernald迭代后向积分法进行机载激光雷达消光系数反演时,激光雷达比对消光系数反演结果影响很大; 标定点的消光系数值及迭代判据的取值对机载激光雷达消光系数反演的结果影响较小。Fernald迭代后向积分法为不用其它辅助设备进行低空探测的机载激光雷达消光系数反演提供了一种可行的范例。