高光谱分辨率激光雷达能够在无需假设激光雷达比的情况下,实现气溶胶光学参数的高精度定量观测。研制了一台用于气溶胶光学特性观测的机载高光谱分辨率激光雷达,并将其用于机载观测试验。针对气溶胶光学参数反演算法进行相应改进,选取不同飞行区域和不同飞行架次的试验数据进行反演,结合太阳光度计、大气污染物输送扩散轨迹模型HYSPLIT和卫星数据等对气溶胶特性进行分析。分析结果表明,不同区域的气溶胶光学参数有明显差异:在城镇、工厂等人类活动频繁的区域,气溶胶的消光系数最高超过1.2 km -1,激光雷达比随高度变化较大,最大可达60 sr,0~3 km高度层的气溶胶光学厚度集中在0.7~1;山区和海洋区域气溶胶的消光系数集中在0.2~0.8 km -1,激光雷达比随高度变化较小,数值集中在5~30 sr,0~3 km高度层的气溶胶光学厚度集中在0.3~0.7。气溶胶的分布受风、天气、污染过程等气象条件的影响,不同日期同一区域的气溶胶光学特性也受大气污染物输送扩散等因素的影响。

阐述了星载对地测风激光雷达系统对于全球大气气象研究的意义,总结了国际星载测风雷达系统的研 究思路。介绍了中国海洋大学在国际上地基、机载、星载这一激光雷达研究思路下,基于碘分子吸收滤波 器设计的车载、机载激光雷达系统和相关系统的验证实验,在地基测风系统的基础上建立了532 nm波段 基于碘分子吸收滤波器或法布里-珀罗滤波器的Labview星载模拟软件。使用车载系统的实际测量数据对使用碘分子吸收滤波器的 模拟测风激光雷达软件在0～3 km和3～20 km的测风精度进行模拟验证,结果表明回波累积脉冲次数在1300次 的时候,可以达到星载测风雷达的测量要求。

模拟了基于355 nm波长双边缘 Fabry-Perot(FP)鉴频器和基于532 nm波长碘分子鉴频器的 星载测风激光雷达系统性能。进行的比较和分析主要包括激光出射光子数、大气后向散射强度、 探测器、鉴频器及测风灵敏度等。给出了星载平台系统接收后向散射信号的信噪比和测风误差, 以评估两种激光雷达系统的性能。结果表明,在距地面0～5 km高度范围, 532 nm碘分子鉴频器系统 测风误差低于355 nm 双边缘FP系统,而对于距地面5 km以上大气范围, FP系统风速误差比碘分子 鉴频器系统低25%。

为了测量燃烧场的热力学性质，研究了分子滤波瑞利散射技术。分子滤波瑞利散射技术采用窄线宽激光器、分子滤波器和像增强CCD相机，通过分子吸收凹陷检测激光片照射流场产生散射光的频谱，抑制背景杂散光和米散射，解析流场热力学信息。建立了分子滤波瑞利散射诊断系统和分子滤波器，根据测得的滤波图像和碘蒸气吸收光谱，获得了甲烷-空气预混火焰的温度场和密度场。测量结果显示，距离标定燃烧炉表面15 mm处火焰的密度为0.19 kg/m3，温度为(1827±84) K，与CARS法测是结果基本吻合，测温不确定度为8%。分子滤波瑞利散射技术还成功应用于水雾和高速喷流结构的诊断，获得了激光作用区的湍流结构。实验表明，分子滤波瑞利散射技术能够测量燃烧场温度和密度，并能用于流场可视化。

碘分子1107-1108吸收线之间有一个光谱透射率峰。基于该光谱透射率峰的碘分子滤波器对大气分子的瑞利散射有强烈的抑制作用,而对大气气溶胶的Mie散射影响较小。利用这种碘分子滤波器构成的高光谱分辨率激光雷达可以分离大气分子散射和气溶胶散射,从而能够测量大气后向散射比和大气风场。对测量原理和测量精度进行了详细推导,并利用合理的激光雷达和大气参数进行了计算机模拟。模拟结果表明,对于大气后向散射比的测量,夜晚大气高度25 km、白天8 km以下可以达到5%的精度;大气视线风速测量范围为±40 m/s,测量精度在夜晚大气高度5 km、白天4 km以下时优于5%。

作为一种激光探测大气气溶胶特征的新技术，采用分子滤波技术的高光谱分辨率激光雷达在国际上得到了发展。给出了对这种YAG激光雷达系统的理论分析并建立了实验装置，其接收望远镜孔径为300mm，YAG激光脉冲能量为150mJ。通过数值模拟与初步测量估计了激光雷达性能，测量了大气回向散射信号，测量结果表明实验结果与理论分析一致。