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。

多普勒差分干涉仪基于一种新型中高层大气风场探测系统，通过计算干涉图相位变化量反演观测目标源光谱的多普勒频移，实现大气风场测量。基准相位作为确定风场多普勒频移量的必要参数，其稳定性是保证风速测量精度的核心指标之一。针对非对称量相位漂移、相位斜率漂移和干涉图相位漂移这三项影响干涉仪基准相位的因素开展研究，基于多普勒差分干涉原理对其相位热漂移开展了理论分析，提出了各项因素相位漂移量的分离测试方法，并基于近红外多普勒差分干涉仪开展了实验测试。环境温度波动为0.27 ℃时，相位斜率变化量为670 mrad/m，干涉图相位漂移波动范围为8.9 mrad；修正干涉图相位漂移后，非对称量相位漂移约为4.7 mrad，均方根为0.98 mrad，等效风速测量误差为0.81 m/s。通过温度拉偏实验，得到非对称量相位漂移随温度的变化率为-493 mrad/℃的结论。

瑞利多普勒激光雷达可对平流层和中间层大气的水平风速和温度进行连续观测。中国科学技术大学最新研制的瑞利测风测温激光雷达增加了多普勒频率校准装置，可实现对晴空天气下15~70 km大气的水平风速和温度的高精度观测。分析了该激光雷达系统2018年9~10月在我国西北部地区的水平风速和温度连续观测数据，通过提取风速和温度扰动、频谱分析、重力波模型参数拟合及Hodograph分析，计算重力波的垂直波长、固有周期、水平和垂直传播方向等参数。从224 h的观测数据中共计提取到重力波384个波次。在这些重力波事件中，53.9%的垂直传播方向为向上。风速和温度的波动幅度分别集中在10~20 m/s和10~20 K，70%以上的垂直波长在5~10 km范围内，极少出现15 km以上的波动；水平波长在100～200 km左右，固有周期<5 h的波动占比较大，水平传播方向以西偏北20°和东偏南20°的相向的方向为主导。

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。

针对中高层大气OH自由基的星载探测应用,给出一种基于空间外差光谱技术的临边探测方案。借助卫星平台的运动,呈正交布置的双通道光谱仪可以分时获取同一区域的一系列视线观测辐亮度,最终反演OH自由基数密度的三维分布。每个通道均包含柱面望远、准直镜头、一体化空间干涉组件和成像镜头,可以同时探测不同高度层的OH自由基辐亮度,具有光通量大、结构稳定、小型化等特点。以紫外波段(308.2~309.8 nm)和光谱分辨率优于0.01 nm的要求进行中高层大气OH自由基临边探测为例,给出了光学系统设计的过程和结果,并利用太阳跟踪器进行了地基太阳光谱观测实验。结果表明:光学系统设计可满足探测指标的要求,实测太阳光谱与理论光谱特征一致性较好,为星载中高层大气遥感探测技术提供了参考。

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。

法布里-珀罗干涉仪能够实现对中高层大气风场的探测。基于扫描式法布里-珀罗干涉仪对大气风场探测的可靠性与准确性,对全空式法布里-珀罗干涉仪(All-sky FPI, ASFPI)探测风场的性能进行检验。通过2015年6月在新疆进行的全空式FPI与扫描式FPI 557.7 nm气辉观测对比实验,分析结果显示两者探测得到的视线风和水平风场具有较好的一致性,验证了全空式FPI测风性能的可靠性。

利用非线性回归法结合仪器的传递函数模型对大气风场探测法布里-珀罗干涉仪进行了定标和反演.首先,基于修正的艾里函数建立了仪器的传递函数及气辉响应函数模型;然后,利用稳频激光器对现有法布里-珀罗干涉仪系统进行了实验室定标,获取了定标数据;采用分步非线性回归拟合法对定标数据进行处理,获取仪器传递函数模型参量;最后利用标定的仪器传递函数模型,对不同信噪比、不同风速温度预估输入的法布里-珀罗干涉仪气辉仿真数据进行了风速和温度反演.实验结果表明,在信噪比优于40的情况下,风速和温度反演准确度分别可以达到5 m/s和10 K.