以中高层大气背景的红外辐射特性和红外成像为研究目的，建立中高层大气背景探测模型和红外成像模型，分析中光谱分辨率大气辐射传输模式（MODTRAN）在红外波段的适用范围，利用战略高空辐亮度代码（SHARC）仿真分析3~5 μm波段不同观测参数下的中高层大气背景红外辐射特性，并建立相关辐射特性数据库，完成中高层大气背景红外辐射场景成像仿真。结果表明：3~5 μm和8~12 μm波段MODTRAN分别在切点高度50 km和70 km以下具有较好的计算精度；中高层大气背景辐亮度随着切点高度和太阳天顶角的增大而减小，随着观测天顶角的增大而增大；短路径和长路径的辐射特性分别由路径长度和处于低层大气的路径大气参数占主导影响；白天和夜晚的辐亮度分别在36 km和34 km为最大值，在75 km和85 km处为极大值。研究结果可为中高层大气背景红外探测提供理论支持。

研制了一套使用种子源直接放大激光器和时分复用收发的新型瑞利多普勒激光雷达。激光器通过对种子源进行多级光纤和固体功率放大，获得了稳定的60 W高平均功率脉冲激光输出。脉冲激光通过时分复用发射系统向垂直、正西和正北方向交替发射进入大气，从三个方向接收到的激光大气回波信号经过光纤合束后送入同一套碘分子吸收池中进行多普勒鉴频。基于上述系统设计开展了系统探测性能仿真研究和实验验证对比分析，仿真结果表明，系统能够在时间分辨率为30 min、垂直高度分辨率为1 km条件下完成大气温度和经纬向水平风速的同步测量，其中60 km高度处温度理论测量误差为1.99 K，经纬向水平风速理论测量误差为4.78 m/s。系统的验证实验结果表明，60 km高度处大气温度的实测误差为2.4 K，经纬向水平风速的实测误差分别为8.7 m/s和 8.5 m/s，反演结果与大气模式和卫星探测结果进行对比呈现了较好的一致性。

利用战略高空辐亮度代码(Strategic high-altitude radiance code, SHARC) 和通用大气辐射传输代码 (Combined atmospheric radiative transfer, CART) 模拟分析中高层大气临边红外辐射的算法适用范围。 通过模拟结果的对比,初步验证了CART临边模式的有效性。模拟结果表明,在主要的红外波段上,至少45 km以 下的平流层区域内临边红外辐亮度的计算都可以采取局域热力学平衡模式(Local thermodynamics equilibrium, LTE);不同的红外波段在不同的大气条件下,需要采用非局域热力学平衡模式 (Non-local thermodynamics equilibrium, non-LTE)的高度不同,其中15 μm波段在至少80 km的切点 高度以下都可以使用LTE模式模拟,但是对于CO2 4.3 μm带主导的3～5 μm波段和O3 9.6 μm带 主导的8～12 μm波段,在中间层的多数区域内就必须采用non-LTE模式。

利用中高层大气红外辐射模式模拟分析极光对中高层大气临边红外辐射的影响。模拟结果表明,极光扰动大气时,NO导致2.7 μm、5.3 μm带临边辐亮度相比于静态值显著增大,2.7 μm带辐射不含时变化,5.3 μm带辐射含时小幅变化;CO₂和NO⁺导致4.3 μm带临边辐亮度相比于静态值显著增大,CO₂导致其含时变化;10 μm、15 μm带临边辐亮度因CO₂ 4.3 μm带的关联效应也以一定幅度增大,并同样含时变化。因化学反应产生的NO、NO⁺的高振动能级使2.7,4.3,5.3 μm带在包含它们的基带和热谱带的宽光谱范围内都获得增强。根据所获得的辐射特性,初步模拟了一次极光扰动大气的4.3 μm带临边观测事件,并与实测值进行对比分析,验证了中高层大气红外辐射模式的正确性。

给出了一种利用气辉探测反演中高层大气氧分子柱密度的新方法。 氧分子对N2 Lyman-Birge-Hopfield (LBH)短波带(LBHS)的吸收作用较强， 而对N2 LBH长波带(LBHL)的吸收作用较弱， 根据这一特性， 利用N2 LBHS与N2 LBHL的比值来反演中高层大气氧分子柱密度。 通过气辉模型计算得到一个用于估计氧气含量的插值表， 计算得到在不同氧分子柱密度、 不同太阳天顶角、 卫星观测角和太阳活动条件下的N2 LBH长短波带比值的自然对数ln(LBHS/LBHL)， 根据探测的ln(LBHS/LBHL)及相应的太阳天顶角、 卫星观测角和太阳活动指数， 拟合得到氧分子柱密度。 最后， 采用模式模拟的方法对反演结果进行验证， 所得反演结果与模拟真值的误差在百分之十以内， 证明了这种探测中高层大气氧分子柱密度新途径的可行性。

中间层顶区域大气温度和风场是研究中高层大气动力学的重要参量。 简要介绍中国科学技术大学钠测温测 风激光雷达系统。其可用于高分辨率探测中间层顶区域 (80~105 km)大气温度和风场。 给出了该激光雷达测量大气温度和风场的基本原理,对系统的发射部分、 接收部分和光电探测采集及时序控制部分进行简要介绍,给出了该系统探测的大气温度和风场的结果。 温度和风场结果分别与TIMED/SABER卫星仪器和武汉地基流星雷达观测结果进行了对比。

基于修正后的流体静力理论和数学软件，对中高层大气100～500km高度范围内氧原子的垂直分布进行了快速有效的模拟，将模拟结果与MSISE－90模型提供的数据作了比较，二者数量级相等、仅数值有一定偏差。结果表明用该方法能有效地模拟地球任意地区100～500km高度范围内、任意时间氧原子的垂直分布。深入分析了实际大气中光化学反应、扩散输运、电离和重力波等对中性成分分布的影响，除重力波外，影响大气中性成分分布的其它相互作用最终趋于动态平衡，温度的垂直分布相对固定是这种平衡的综合体现。