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。

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。