在星载激光雷达的设计、研制和数据反演过程中，正演模型起到至关重要的作用。建立了一套星载激光雷达探测云与气溶胶的正演模型，整个模型具有模拟冰云场景、气溶胶场景等复杂多场景的能力，由8个子模块构成。针对532 nm通道的模拟结果表明：在深对流场景中的云层深厚，信号衰减严重，仅能获取云顶分布信息；而在冰云和气溶胶的场景中，需要考虑云层的微物理特性对气溶胶有效探测的影响。望远镜直径、卫星轨道高度和激光器单脉冲能量对信噪比的影响结果可以为星载激光雷达的参数设计提供支持。与CALIOP/CALIPSO实际探测结果的对比表明，正演模型计算的衰减后向散射系数与实际观测结果在结构分布上基本一致，但由于CALIPSO反演算法的不确定性及与正演模型参数设置上的差异性，在多廓线平均值的对比中，在不同高度上存在一定的差异。

激光探测对于获取云和气溶胶的垂直廓线, 研究大气中云和气溶胶的垂直分布特征以及对全球气候变化的影响意义重大。 而星载大气激光雷达云气溶胶分类算法的研究, 对于激光雷达数据的参数反演及应用极为重要。 针对激光条件下探测的云和气溶胶特有的光学信息和空间分布, 结合概率统计与机器学习算法, 提出了一种对于云/气溶胶、 云相态及气溶胶子类型识别的分类算法, 实现了星载激光雷达的大气特征层快速、 有效分类。 算法采用中国地区2016年CALIOP的观测数据作为样本数据, 主要由三部分组成: (1) 基于激光探测的云和气溶胶层不同的光学特性以及地理空间分布特征, 分别构建了云和气溶胶的γ532, χ, δ, Z和lat的五维概率密度函数, 以此为基础构建云气溶胶的分类置信函数, 并基于此实现了云和气溶胶类型的反演; (2) 选取支持向量机(SVM)作为随机朝向冰晶粒子(ROI)和水云分类的算法模型基础, 结合云层的γ532, χ, δ Z和云顶温度T的概率密度函数构建ROI, 水平朝向冰晶粒子(HOI)和水云的分类置信函数以修正SVM误分的特征层以及筛选出水云中少部分的HOI冰云, 获得云相态的分类结果; (3) 以各气溶胶子类型的光学以及空间分布特性为基础, 采用决策树策略的气溶胶子类型识别算法实现了对气溶胶子类型的区分, 完成气溶胶子类型的识别。 利用现有CALIOP观测结果作为样本数据构建分类数据库, 避免了对于地面以及航测数据的依赖, 而机器学习则大大简化了算法的实现过程, 使得云气溶胶分类更加高效。 算法结果与正交极化云气溶胶激光雷达垂直特征层分布数据(CALIPSO VFM)产品对比分析: 云层有98.51%一致性, 气溶胶有88.43%的一致性, 且白天比夜间一致性高。 对于云相态分类, 可以有效区分出水云和冰云, 其中二者水云一致性高达93.44%。 在气溶胶子类型反演结果中, 可以准确识别出大多数气溶胶特征层子类型。 霾、 沙尘以及晴空三种典型情况下的反演结果均与CALIOP VFM产品数据具有较好的一致性。 其中, 霾天的大部分煤烟型以及污染型(污染沙尘以及污染大陆) 气溶胶反演结果与VFM具有较好的一致性。 沙尘天也能够获得较好的沙尘以及污染沙尘的结果。 晴空为数不多的气溶胶层也取得了较为一致的结果。 对于实现的星载大气激光雷达特征层分类算法, 针对CALIOP激光测量的云气溶胶层的分类进行了重要的改进, 在保证一定精度的基础上, 简化了算法, 提高了数据处理的效率, 在下一步工作中, 将分别构建不同时段和季节的分类模型以及提高两种不同偏振特性的冰云和气溶胶子类型的分类精度。

为获取高信噪比的气溶胶遥感数据, 针对光谱仪成像系统链路分析了影响云与气溶胶探测仪信噪比的关键因素。结合光谱仪成像电路系统的响应模型, 确定了电子学系统信噪比的表达式, 针对可见探测器和红外探测器。提出了模块化的高信噪比成像光谱仪电路系统的设计方法, 并描述了云与气溶胶探测仪成像电路系统从总体设计到模块设计的完整研制方案。对云与气溶胶探测仪进行辐射定标试验, 试验结果表明: 可见单机各通道在典型辐亮度条件下最小信噪比为50.9 dB, 红外单机各通道在典型辐亮度条件下最小信噪比为62.3 dB, 满足指标要求。针对可见探测器和红外探测器的成像电路系统设计方法对其他光谱仪电路系统设计具有借鉴意义。

气溶胶是影响地球气候和环境的不确定因素之一, 星载被动光学遥感具有大视场、宽波段、高时空分辨率等优势, 已成为云与气溶胶探测的有效手段之一。本文简述了云与气溶胶光学遥感探测的必要性和可行性, 详细介绍了国内外典型云与气溶胶光学遥感仪器的系统组成、主要技术参数和方案特点, 并基于现有仪器的不足和气溶胶反演需求, 指出了云与气溶胶光学遥感仪器的发展趋势, 给出了新一代云与气溶胶光学遥感仪器的方案设计结果。集成大视场、中等分辨率、多角度、多光谱、宽谱段、长寿命的高精度偏振测量是新一代星载云与气溶胶光学遥感探测仪的首选方案和发展趋势。

为了研究喇曼激光雷达探测云与气溶胶相互作用相关光学参量的可行性, 研制了一台607nm喇曼激光雷达。采用适当提高喇曼激光雷达配置的方法, 提高了喇曼回波信号信噪比。通过实验取得了晴空少云天气下云和气溶胶的消光系数垂直廓线, 给出了喇曼激光雷达观测云与气溶胶相互作用的个例分析, 说明利用地基喇曼激光雷达, 可以为研究云与气溶胶之间相互作用的物理过程提供基础数据, 并指出正在研制的多波长喇曼-偏振激光雷达技术探测云与气溶胶相互作用的技术优势。结果表明, 喇曼激光雷达具备定量探测中低自由对流层内薄云层和气溶胶消光系数的能力。

针对机载双波长偏振激光雷达的技术特点，结合搭载遥感飞机的基本性能，分析了激光雷达的设计方法；仿真计算了激光雷达的配置参数；解决了激光雷达应用于航空平台的一些关键技术。通过实验取得了初步的结果，地基实验表明，激光雷达达到设计指标要求的探测能力。初步的飞行实验结果表明，激光雷达采用的关键技术符合航空平台关于体积、重量、功耗以及环境适应性的要求。利用激光雷达的主动探测能力，结合机上同时搭载的被动遥感仪器，将实现国家关注的大气成分及其环境要素的科学实验研究目标。