生物气溶胶极易在大气中传播并引发大范围疾病感染，利用生物荧光特异性的激光诱导荧光（LIF）雷达技术是实现生物气溶胶防区外侦测的有力手段。LIF激光雷达是一种宽光谱系统，受大气能见度和背景辐射的影响与窄光谱系统（如米散射激光雷达）有明显差异。为了评估LIF激光雷达在不同大气条件下的探测性能，利用Modtran5对几种典型的大气能见度和背景辐射（或工作时段）的水平路径上的宽光谱背景辐射与大气传输透过率进行了仿真，进而对不同大气条件下LIF激光雷达的探测性能进行了定量分析。仿真结果表明：在相同的大气能见度条件下，夜间的可探测距离要比白天高出2~4倍，且能见度越好，探测性能差异越大；在相同的工作时段，大气能见度良好时的可探测距离要比大气能见度较差时的高出2~5倍，且夜间探测性能差异比白天大；气溶胶生物性识别的可探测距离要比生物成分识别的可探测距离高出1~2倍，且受大气条件的影响明显。

针对不同大气环境条件下激光测距机最大测程显著变化的问题, 建立了表观光学参数大气能见度V与大气吸收系数、散射系数和总衰减系数之间的关系, 采用蒙特卡罗方法仿真了激光大气传输过程, 以美国Voxtel公司的远程激光测距机为例, 定量计算了雾天环境下能见度变化对最大测程的影响。结果显示:标称最大测程为10 km的激光测距机在能见度为20 m、300 m和1 500 m的气象条件下, 最大测程分别为30 m、335 m和1 240 m; 测距机最大测程随气象条件的改变会发生明显的变化。该仿真方法可评估大气光学参数对激光测距机测程的影响, 以及指导系统设计阶段的参数优化。

针对目前大气透射仪校准领域无法溯源到世界气象组织对能见度定义的难题，以及如何实现满足国际民航组织(ICAO)观测要求的2700 K色温光谱模拟问题，本文提出了一种基于数字微镜的大气透射仪校准光源的光谱模拟方法。首先分析了光谱模拟单元的偏态性质，选用Bigaussian、Asym2Sig和ECS三种函数分别作为正偏态、正态以及负偏态分布光谱模拟单元的拟合函数；然后采用Gaussian函数以及Bigaussian、ECS、Asym2Sig三种函数组合进行光谱模拟对比实验，两者的光谱模拟误差分别为33.4%和25.2%，这表明三种函数组合代替Gaussian函数进行光谱模拟具有可行性；之后分析了影响光谱模拟误差的主要因素，提出了一种基于最大模拟误差的光谱修正方法，并在410～460 nm局部波段验证了光谱修正方法的正确性，最终实现了380～780 nm波段范围内2700 K色温光谱模拟误差为6.2%，较修正前整体光谱调制能力提高了4.06倍。

目前,国内外尚没有完全按照能见度定义研制的大气能见度自动观测仪出现。针对这一问题,基于人工观测能见度原理,有效利用CCD数字摄像技术构建了数字摄像能见度自动观测系统(DPVS),研制出一款完全按照能见度定义的新型大气能见度自动观测仪,这为国内外大气能见度的观测提供了一个有效的解决方案。实验结果表明,该系统能够有效观测大气能见度,能见度较低时,该系统对比透射仪器的观测误差在10%左右,而能见度较高时,该系统对比透射仪器的观测误差则在20%左右,且新型自动观测仪的各项指标均符合世界气象组织对能见度仪研制标准的要求。

大气能见度对航空、航海、陆上交通、**活动等均有重要的影响。新兴的图像法测量能见度方法, 采用的相机由于成像亮度、动态范围存在误差使得测量的能见度也存在一定误差。详细分析相机拍摄的目标亮度增益误差、目标亮度零点误差、天空背景亮度增益误差和天空背景亮度零点误差引起的能见度测量相对误差, 并得到上述4种误差的能见度总相对误差, 验证利用图像法进行能见度测量的可行性和有效性。

针对传统大气透射仪收发基线固定、采样空间有限、透过率模型适用性差等问题,设计了一种变基线大气能见度测量系统。该系统的激光发射单元固定,光学接收单元可移动,能在不同基线长度上获得大气透过率。通过测量多点大气透过率并进行最小二乘拟合,得到大气消光系数和大气能见度。在大气能见度分别为200,800,2000 m时,对本系统和传统大气透射仪进行了仿真实验。结果表明,本系统测量得到的大气消光系数均方根误差均低于传统大气透射仪,可以有效减小系统误差和随机误差对测量结果的影响。在大气模拟舱内开展的外场实验也验证了本系统的有效性和稳定性。

鉴于大气能见度的直观特性和红外光电技术的迫切需求, 提出了一种大气红外能见度的计算与测量方法,并研制了一套大气红外能见度测量仪器,该仪器以1064 nm 波长激光作为光源,以Xenics红外相机为探测器测量红外能见度。暗场处理时利用传统的背景扣除方法和 移位相减法进行对比实验,能见度反演过程中用斜率法和Klett积分法同时对测量结果进行处理, 结果表明该系统测量出的红外能见度与Belfort能见度仪测量结果基本一致,相关系数达80%以上, 表明红外能见度的计算和测量结果是可靠的。

为了能够通过水平大气能见度判断可实现的最大通信速率,基于Mie散射理论和脉冲多路径效应,建立了通信速率与水平大气能见度的数学模型;通过蒙特卡罗仿真,得到了800 nm和1550 nm波段的气溶胶散射粒子的散射参数,给出了2~25 km水平大气能见度下两个波段产生的脉冲展宽曲线,分析了初始脉宽、脉冲位置调制元数、水平大气能见度对最大通信速率的影响。结果表明,1550 nm波段具有更好的通信效果;随着水平能见度的提高,可实现的最大通信速率也在提高,且在良好的水平能见度下选择小的初始脉宽和较低元的脉冲位置调制,能最大程度地提高深空激光通信速率。

针对传统的后向散射激光雷达系统结构复杂和需要几何因子矫正的情况, 研制了一套可以全天候测量的成像激光雷达用以克服这些缺陷。采用基于求解消光系数分布的方法反演能见度, 提出一种Klett后向积分法与遗传算法相结合的改进的迭代算法, 同时用传统的斜率法和权重拟合法求得能见度。选取比较有代表性的四种天气, 多云、阴天、晴天和雨天的数据进行处理, 得到这四种天气情况下的能见度。将这四组能见度数据与能见度仪器 Belfort 6230A在这四天同时测得的能见度数据进行对比, 结果表明, 在不同的天气情况下, 两种仪器测得的数据趋势相同, 相关系数均在0.67以上, 具有较强的相关性。可以得出结论: 研制的成像激光雷达系统可用于探测大气的能见度。