为了实现高分辨率的三维温度测量技术, 提出了一种基于光学相干层析的三维温度测量技术。根据气相火焰的散射特点, 建立相干测量火焰温度场的数学模型, 通过数值模拟两种雷诺数(Re=10 000, 20 000)下的Sandia Flame D三维温度场, 以及光学相干层析在上述两种工况下测量的三维温度场。模拟结果表明：在设定的模拟条件下, 对于低湍流程度火焰, 光学相干层析相干长度小于火焰最小尺度, 三维温度场测量具有一定的可行性。这将为光学相干层析测量三维温度场分布提供理论依据。

基于子午工程激光雷达的大气Rayleigh散射实验观测数据，开展了中层（30~65 km）大气温度结构反演计算和大气重力波事件识别的研究工作。在Chanin-Hauchecorne大气温度反演方法的基础上，采用SABER/TIMED、COSMIC卫星测量数据的对照分析方法，提高了中层大气温度结构反演的准确性；采用小波分析方法提取温度扰动的主要波动成分，并计算重力波活动的垂直波数谱Fam和时间频率谱Faω，增强了重力波事件识别以及特征参数提取的可靠性。基于设计的数据分析流程，完成了2011—2013年海南激光雷达站观测数据的分析工作，提取202个中层大气重力波事件的特征垂直波长λz*和特征周期Tob*。统计分析结果显示，海口上空中层大气常见重力波的特征垂直波长为5~9 km， 特征周期为5~13 h。该数据分析方法能满足Rayleigh激光雷达对中层大气温度结构精确探测以及重力波活动特性观测研究的需要，可为子午工程激光雷达观测数据的广泛应用提供服务。

为了避免常用的天空光偏振模式测量仪器中鱼眼镜头所引起的图像边缘区域扭曲的缺点, 采用手机相机和线性偏振片相结合的方法, 进行了理论分析和实际验证, 得到了大气偏振模式的分布情况和中性点位置的数据。结果表明, 实际测量的中性点区域与理论仿真的结果间高度角的偏差为2.4°±2.6°,方位角的偏差为1.4°±0.8°, 证明了测量方法的可行性, 随着天空中云层的增加, 天空光偏振分布图像会发生扭曲, 但仍然可以确定中性点位置, 为天空光偏振仿生导航提供了参考。该研究可用来确定太阳位置、实现自身定向及导航定位, 并且具有易操作、便携等优点, 在一定程度上降低了天空光偏振仿生导航的成本, 提高了民用价值。

偏振导航的有效性在很大程度上依赖于能否从不同大气状况中获取到有效的全天空偏振分布信息。文中依据矢量辐射大气传输方程仿真分析了无云晴空和混浊大气状况下的全天空偏振度和偏振角分布特征, 并研究了大气混浊度、太阳方位、观测高度和观测波段对偏振分布的影响, 进而探讨了不同大气状况下偏振导航的有效性。结果表明: 太阳位置决定了全天空偏振分布图景的整体形式; 混浊大气对近地层观测偏振信息的影响明显, 当整层光学厚度增大至2以上时, 偏振度将降低至0.1以下, 此时偏振信息的检测难度增大, 不利于导航, 而以晴空为主的中高层大气受混浊大气影响较小, 偏振信息稳定, 且符合Rayleigh单次散射分布特征, 可保证白天全时段导航的有效性; 在无云大气下, 可见光波段内长波段更适合作为偏振导航的观测波段。

为了满足偏振光天文导航定位对高精度太阳空间位置信息的需求, 提出一种基于瑞利大气偏振模式的太阳自主定位方法。实验结果表明, 该定位方法能够获取太阳相对可靠的地理位置信息, 且经、纬度误差均值分别为0.251°和0.171°。虽然该方法的定位精度有待于进一步提高, 但其作为其他定位方式的补充有着重要应用价值。

为了满足无人飞行器自主导航对姿态参数提取的需求, 提出一种利用大气偏振模式稳定性分布的特征提取飞行器俯仰角和滚转角的方法.从刻画大气光学传输特性的Rayleigh散射理论出发, 建立了天空偏振光分布的理论和实测两种模式.利用优化算法, 从偏振信息中提取出导航用的天空特征点——太阳空间位置, 并利用太阳和天顶固定的时空关系, 获取天顶点位置信息.利用天顶点坐标建立姿态变换矩阵, 解算俯仰角和滚转角大小.通过模拟飞行器控制台, 利用理论和实测两种偏振模式数据分析验证, 解算的俯仰角均方根误差分别为0.002°和0.0031°, 滚转角均方根误差分别为0.0236°和0.0227°.该偏振方法获取姿态参数时计算简单, 解算精确度高.

为了满足偏振光导航中对天空特征点位置信息的需求, 提出一种基于Rayleigh大气偏振模式的太阳和太阳子午线空间位置的计算方法.首先分别利用瑞利单次散射理论和偏振分析仪重建了理论和实测大气偏振模式, 再根据大气偏振分布模式的特点, 对所采集的偏振度数据和E-矢量数据进行聚类分析, 利用偏振度数据确定太阳位置, E-矢量数据确定太阳子午线位置, 将求取太阳和太阳子午线空间位置的问题转化为确定相应类中心的问题.最后对所提方法分别就大气偏振的理论模式和实测模式进行实验分析, 与最小二乘法利用偏振数据反推太阳位置法相比, 该方法有效地利用了偏振模式整体分布的稳定性特点, 可以通过采集大范围偏振信息获取较准确的空间显著特征点位置, 得到较好的实测数据处理结果.

为了满足偏振光导航对空间特征点空间位置信息的需求, 提出一种基于Rayleigh大气偏振分布模式的太阳空间位置计算方法.首先, 从大气光学的Rayleigh散射理论出发, 建立了天空中偏振光的分布模型.然后将由大气偏振模式中的有限的采样点信息确定太阳空间位置的问题转化为非线性最小二乘优化问题, 采用Gauss-Newton法简化算法结构, 结合对初值的全局搜索以获取精确的太阳空间位置.仿真实验表明, 在本文设定的采样方式下, 不同时间、不同地点下利用偏振度信息求解, 太阳高度角误差均小于10-5度, 方位角误差小于10-6度;偏振角度求解时, 太阳高度角和方位角求解误差均小于10-6度;并且在不同的采样方式下均保持了良好的优化准确度.实验证实该算法准确度高, 对各种采样方式适应性好, 可以有效地由偏振模式信息处理得到太阳空间位置.

考虑散射链路所在高空大气中温度、压强、臭氧浓度和湍流垂直强度的分布规律，依据Rayleigh散射理论，提出紫外光多径散射链路模型。将散射体划分为多个散射元，各散射元对应一组路径，并依照不同路径划分信号光，计算其信号强度；利用对数正态分布和非直视链路的湍流模型，分别计算不同路径的信号强度概率密度分布；用所有概率密度函数卷积得到接收端各路径信号叠加的强度分布和链路损耗。根据实际大气环境仿真得到：新模型得到的信号强度概率密度分布较原模型更集中，紫外光的消光系数受吸收系数影响显著，二者垂直分布曲线只在15 km以下略有差异。在高空2~14 km范围内，当收发端位于11 km左右闪烁指数存在极大值，而收发端位于6 km左右闪烁指数最小。综合考虑湍流效应和链路损耗，高空紫外光通信可将收发端安置于10 km高度以下。

针对不同海拔的大气散射区域对紫外激光单次散射链路的影响，综合考虑气压、温度及臭氧浓度三个因素，对紫外光单次散射链路模型进行了修正。在此基础上，首先计算紫外激光通信系统在0~28km高空范围内的链路损耗。其次，在链路损耗最小条件下，分析通信距离、通信终端仰角以及发散角三者的相互关系。结果表明，收发端设置在高空0~15km的链路损耗较低，15~21km的链路损耗剧增。发射端仰角和通信距离的增大分别导致链路损耗增加；损耗最小时，发射端仰角与发散角近似呈线性关系，通信距离对该关系无明显影响。