通过改装多旋翼无人机 (UAV ) 和搭载各类载荷以及联合地基观测设备对大柴旦地区大气、环境以及气溶胶参数进行测量。利用获得的数据资料,对该地区近地层气溶胶粒子数浓度(即单位体积空气中气溶胶粒子的数目)、消光系数以及气象要素等特征进行了分析。结果表明,在大柴旦地区,近地层气溶胶粒子数浓度日变化显著,呈现双峰形态,气溶胶粒子数浓度的变化范围为75~220 cm ^-3,消光系数的变化范围为0.004~0.038 km ^-1;当风速小于6 m/s时,气溶胶粒子数浓度与风速呈负相关关系;当风速大于6 m/s时,二者呈正相关关系;相对湿度对气溶胶粒子的影响较小,这可能是由于该地区以沙尘型气溶胶为主,吸湿性较弱。本研究基于多旋翼无人机探测平台,可以有效地获得近地层精细化大气、环境结构,有助于研究人员了解该地区气溶胶的结构、变化特征以及建立气溶胶模式,同时也为气溶胶及大气环境参数探测方法提供了技术支撑及思路拓展。

运用广义洛伦兹-米散射理论(GLMT)研究了高阶矢量贝塞尔涡旋波束的单球形气溶胶粒子的散射特性,将直角坐标系下沿 z轴方向传播的贝塞尔波束的电磁场强度各分量表达式转化成球坐标系下各个分量的表达式,使用GLMT中的积分局部近似法计算贝塞尔涡旋波束的波束因子,进而计算在轴入射的高阶矢量贝塞尔涡旋波束的单球形气溶胶粒子散射。以硝酸铵球形粒子为例,通过数值计算,讨论了不同拓扑荷数和半圆锥角矢量贝塞尔涡旋波束与气溶胶粒子作用的微分散射截面随散射角变化的分布,以及消光截面、散射截面和吸收截面随均匀球形气溶胶粒子尺寸参数的变化情况。结果表明,随着贝塞尔涡旋波束拓扑荷数的增大,粒子微分散射截面值逐渐减小;拓扑荷数一定的贝塞尔涡旋波束随着光束半圆锥角的增大,消光截面、散射截面和吸收截面各值整体上趋向减小。

提出了一种从微观角度分析气溶胶粒子微观特性对后向散射回波影响的方法。基于Mie散射理论,建立了蒙特卡罗仿真模型,对收发同轴激光雷达的气溶胶后向散射回波特性进行仿真分析,得到了气溶胶粒径、复折射率实部及虚部对后向散射回波的峰值强度、信号延迟、波形展宽的影响规律,分析了由气溶胶粒子微观特性引起的多种宏观特性的同时作用对后向散射回波产生的影响。结果表明:后向散射回波强度主要取决于散射系数和不对称因子,回波延迟和脉宽与散射系数相关;随着复折射率实部的增大,后向散射回波强度增加,回波延迟和脉宽先减小后增大,但影响较小;随着复折射率虚部的增大,后向散射回波强度先减小后增大,虚部对回波延迟和脉宽无明显影响。

为了研究混合粒子的不同混合方式对星地量子卫星通信的影响, 根据灰霾粒子与水云粒子的谱分布函数, 以及不同混合方式下的消光系数, 提出了外混合方式中星地量子信道衰减的计算关系, 建立了内混合方式中的Core-shell信道衰减模型; 分析了在不同混合方式下, 混合粒子的粒径比与信道平均保真度、信道误码率之间的定量关系.仿真结果表明, 当混合粒子的粒径比分别为0.2和0.8时, 外混合粒子对应信道容量、信道平均保真度、信道误码率分别为0.39和0.27,0.8和0.8,0.003和0.009; 内混合粒子对应信道容量、信道平均保真度、信道误码率分别为0.8和0.21, 0.94和0.81,0.018和0.021.由此可见, 灰霾粒子和水云粒子的不同混合方式对量子卫星通信性能的影响有显著差别.因此, 在实际的量子卫星通信系统中, 应根据混合粒子的不同混合方式自适应调整系统的各项参量, 以提高星地量子通信链路的可靠性.

针对不同比例的灰尘和海盐团簇自然气溶胶，利用离散偶极子近似(DDA)法，通过考察成分的影响，使用波长为0.55 μm，尺度参数变化范围为0.1~25时，研究了散射相函数和激光雷达比的影响，结果表明二者的变化趋势大体相同。尺度参数为13~24时，团簇自然气溶胶散射相函数有明显的后向散射加强，其中尺度参数为18附近，后向散射加强效应最明显。灰尘比海盐对散射相函数影响更大，二者的影响主要集中在尺度参数为15~25范围内，但除了散射角为180°附近的后向外，影响的散射角方向略有不同。不同比例下的团簇自然气溶胶激光雷达比在尺度参数为3左右有最大值，其值约为180。在尺度参数为0.2~25范围内，成分对激光雷达比的影响不大，相对偏差小于10%，特别是尺度参数为0.5~2时的影响可以忽略，相对偏差小于1%。

利用FA-3型Anderson撞击式气溶胶粒度分布采样器采集大气中的可吸入颗粒物。在实验室使用光学测量系统对粒径低于PM2.5的气溶胶颗粒物进行透过率测量。结果表明，透过率随气溶胶粒子粒径的增大具有逐渐增加的趋势。粒径低于PM2.5的气溶胶颗粒与PM10粒径范围内的透过率相比，具有明显的波长选择性。

以包含灰尘、黑碳和水三种成分的单分散内混合初次气溶胶为例，利用消光、吸收、散射效率因子和不对称因子，探讨了以等效折射率描述具有不同成分的内混合气溶胶粒子系统的适用性。结果表明，在尺度参数为0.1~25时不同半径比下，消光、吸收和散射效率因子的等效性较好，相对误差分别在3%、3%和4%以内；不对称因子的等效性相对稍差，相对误差在13%以内。当半径比a/b小于1/5，即内混合体中所含灰尘和黑碳较少时，等效折射率实部和虚部值基本可以确定，而不必考虑尺度参数的影响。用除散射相函数之外的其他光学量来等效时，较为容易找到等效的气溶胶粒子。

根据Mie散射理论，以对数正态分布函数描述沙尘气溶胶粒子群的粒径尺度分布，计算了沙尘气溶胶粒子群在0.2~40 μm波段间对太阳短波辐射和地球大气长波辐射的单次散射反照率、散射相矩阵函数，揭示了不同相对湿度时，沙尘粒子群对入射辐射的散射和偏振的特征。结果表明，沙尘粒子群的单次散射反照率随着入射波长的增加有较大起伏，不同相对湿度条件下，变化趋势基本一致；在可见光、近红外波段单次散射反照率随湿度增加而变大，湿度95%时非常接近于1；大于10 μm的热红外波段单次散射反照率随相对湿度增加而减小，具有较强的吸收辐射能力。散射辐射强度受湿度影响较小，随散射角的增加呈现先减小后增大的趋势，且增大的趋势随着波长的增加而减弱；不同波段上，线偏振和圆偏振随散射角和相对湿度变化存在差异；在前向和后向仅对入射辐射为圆偏振辐射产生圆偏振散射；散射光的偏振特性及其湿度差异主要表现在后向散射区，多以拱形形式体现。拱顶峰值散射角位置存在差异，且峰值散射角随相对湿度的降低向后向漂移。

针对大气气溶胶粒子的时延效应影响激光测距精度的问题,利用双频互相关函数,推导了离散随机介质中激光程差的计算公式,建立了激光程差与粒子浓度、粒子直径等常规参数间的联系。在此基础上,提出了计算由大气气溶胶粒子的时延效应所引入的激光程差的方法,并根据气溶胶和云雾的光学特性(OPAC)气溶胶模式,计算了卫星对地激光测距时,大气气溶胶粒子所造成的激光程差。结果表明,当激光波长为1064 nm,气溶胶粒子的模式半径大于0.25 μm时,随着模式半径的增大,其造成的激光程差逼近4.6 cm,在毫米乃至亚毫米级激光测距精度要求下,必须对其进行修正。