具有高灵敏度、 高光谱分辨率的中红外激光外差光谱气体探测, 是以窄线宽激光器作为本地振荡器, 通过放大入射的微弱吸收信号, 实现大气痕量气体柱浓度和垂直浓度廓线的遥感探测技术。 基于当前的激光外差辐射计, 提出了一种新型的仪器结构。 引入直接吸收光谱系统实现外差系统工作波长的选定和频率标定。 采用紧凑型红外黑体源EMIRS200作为宽带辐射光源, 替代太阳光, 进行激光外差系统的验证分析。 为激光外差辐射计的下一步系统集成提供了新方法。 研制了中红外宽调谐激光外差辐射计概念验证系统, 对系统基本参数进行了测试分析。 该系统采用8 μm外腔量子级联激光器(EC-QCL)作为本地振荡光源, 红外黑体源EMIRS200作为辐射光源。 通过对该系统基本参数的测试数据分析, 获得了系统信噪比(~120)和外差转换效率(~0.006)参数。 利用艾伦方差分析确定了EC-QCL的稳定时间至少达到了133 s, 因此非常适合于激光外差光谱的采集。 得到直接吸收光谱系统的1σ最小体积分数探测限为2.312×10-8, 能够满足大气甲烷高灵敏检测需求, 同时实现外差系统工作波长的选定和频率标定。 最后利用已建立的激光外差辐射计概念验证系统获取了甲烷中红外8 μm处高分辨激光外差吸收光谱, 并与甲烷在8 μm波段附近的直接吸收光谱进行了光谱比对。 最后拟合了系统光谱分辨率参数, 验证了该概念验证系统的高光谱分辨率, 能满足较窄线宽条件下的高分辨率激光外差光谱的测量。 实验结果表明, 激光外差系统中引入直接吸收光谱系统可以实现外差系统工作波长的选定和频率标定。 紧凑型红外黑体源EMIRS200可以用于激光外差辐射计的结构优化, 实现激光外差系统的分析验证, 为进一步应用于测量实际大气中多组分气体的光谱提供了实验基础并拓展激光外差辐射计在高精度遥感探测领域的应用。

路径积分差分吸收（IPDA）激光雷达可装载于飞机或卫星上探测大范围大气CO₂浓度，具有全天时和探测精度高的优势。全球云的平均覆盖率可达60%，因此在激光穿透大气射向地面的探测过程中，除了地面和海洋回波信号，还有很多云层回波信号。结合机载大气探测激光雷达（ACDL）信号采集特点，针对复杂的云层回波信号，提出一种基于中位数绝对偏差的离群值筛选法提取信号，可分离多层云回波信号及云层与地面回波信号同时存在的信号。分析云信号的探测能力，并利用云层回波信号积分值反演云上CO₂柱浓度，结果与原位测量仪测量结果变化趋势一致，二者偏差为2.8 μL/L。

全球气候治理和温室气体减排已经到了刻不容缓的地步。自工业革命以来，大气甲烷（CH₄）体积分数一直持续上升，目前全球平均值已达约1895.7×10^-9，加上CH₄全球变暖潜能值比二氧化碳（CO₂）高约27~30倍，因此对大气CH₄的监测成为碳减排的重点与热点。利用卫星遥感探测速度快、覆盖范围广、获取信息丰富等优势，可以实现高精度、高时空分辨率且全球覆盖的大气CH₄浓度监测。据此，首先对大气CH₄探测卫星及传感器的发展进行梳理与介绍，从早期的被动热红外探测，到对近地CH₄浓度变化更为敏感的被动短波红外探测，再到以甲烷遥感激光雷达任务（MERLIN）为代表的主动型探测，CH₄探测传感器空间分辨率提升至5~10 km，探测精度提升至10×10^-9以内，并朝着高时空分辨率、高精度和连续观测一体化的目标不断发展；然后，对各类传感器不同算法的原理、适用条件和反演精度等进行归纳总结，其中精度最高、应用最为广泛的全物理算法的反演精度已达到了0.3%；最后，结合大气CH₄卫星遥感发展现状与双碳目标的战略需求，对CH₄卫星遥感和反演研究的发展趋势进行总结与分析，旨在为我国大气CH₄卫星遥感体系建设提供一定的参考。

针对气溶胶被动卫星遥感中由于气溶胶模型的不确定性导致的反演误差, 引入了一种基于贝叶斯理论的新型气溶胶层高反演算法, 并应用于哨兵 5 先导 (Sentinel-5P) 卫星的 TROPOMI (TROPOspheric Monitoring Instrument) 载荷。该算法基于不同候选气溶胶模型的模型证据 (气溶胶模型的条件概率密度) 确定符合当前观测数据条件的气溶胶模型, 并通过两种模型选择方案分别得到估算最大值解和估算平均值解作为反演结果。以 TROPOMI 观测到的一次真实野火事件为例, 反演结果和官方产品具有很好的空间一致性, 且明显降低了低估现象, 证明在气溶胶先验知识缺乏的背景下该算法能够高效选择合适的气溶胶模型, 为今后高光谱卫星气溶胶层高反演的业务化数据处理提供了一种新的解决方案。

云污染容易造成星基红外高光谱观测精度下降，导致大量观测信息损失。针对有云情况下的干涉式大气垂直探测仪（FY-4A/GIIRS）的观测数据，提出一种云上温度廓线反演方法。利用辐射传输模型分别开展晴空和有云情况下的观测亮温模拟实验，统计分析不同通道的模拟亮温变化特征，根据云顶气压确定通道优选方案，通过神经网络算法实现云上的温度廓线反演，温度廓线反演的精度评估采用ERA5再分析数据作为参照标准。实验结果表明均方根误差（RMSE）整体优于1.5 K，反演的温度廓线具有较高的精度，有效地提高了FY-4A/GIIRS在云污染情况下的观测资料使用率。

亚稳态氦激光雷达通过发射调谐至亚稳态氦原子的1 083.0 nm共振线的激光来探测热层和外逸层的亚稳态氦原子数密度。能够覆盖的探测范围约为200~1 000 km。在这个高度范围内，亚稳态原子密度较小，随着季节的变化，数密度最大通常不超过1 cm-3。中国科学技术大学目前正在研制基于六个1 m口径望远镜阵列和高能量1 083 nm脉冲激光器的亚稳态氦共振荧光激光雷达。雷达的望远镜有效面积约4.8 m2；1 083 nm脉冲激光器采用光参量震荡(OPO)和光参量放大(OPA)技术，以532 nm高能量脉冲作为泵浦光，最终输出单模窄带宽(300 MHz)的1 083 nm脉冲光；接收端采用深度制冷(-120 ℃)的InGaAs探测器，量子效率大于30%，暗计数可控制在100 s-1以内；滤波模块采用干涉滤光片和FPI超窄带滤波串联的方式，最终将滤波半宽压缩到10 GHz左右，峰值透过率55%。综合以上关键技术指标，在数密度较大的季节，信噪比可能达到约400，在数密度较小的季节，信噪比约为10。

统一分析大气海洋高光谱分辨率激光雷达(HSRL)的鉴频性能, 能够为大气海洋的联合探测研究提供帮助。 提出了一种基于视场展宽迈克尔逊干涉仪(FWMI)鉴频器的大气海洋HSRL系统和算法, 用于反演海水和 大气颗粒的180°体积散射系数。该系统的核心在于采用混合-分子双通道接收信号, 其中分子通道 利用FWMI鉴频器滤除颗粒信号, 透过分子信号。研究表明, 反演误差会随着颗粒散射比(总180°体积散射 系数与分子180°体积散射系数之比)增大而线性增大, 而光谱分离比(分子与颗粒透过率之比)的提高能够显 著抑制误差的增长趋势。因为海洋的分子散射与颗粒散射在光谱上更加分离, 因此FWMI在海洋HSRL上的鉴频 能力高于大气HSRL。所提的基于FWMI的HSRL系统能够工作于水体和大气中, 对大气海洋激光雷达的性能提升有重要的意义。

偏振反映电磁波的方向特性,是除强度之外电磁波的另一维度的信息。在电磁波与大气颗粒物的相互作用中,偏振由于其对颗粒物物理特征的高敏感性, 可以有效提高卫星遥感探测的丰度和精度,改善对大气中特性复杂的气溶胶和云等成分的探测能力。首次综合介绍了我国研制的4种类型星载 对地观测偏振传感器,包括多角度偏振相机、推扫式偏振成像仪、摆扫式偏振仪、多通道偏振辐射计,并分析了代表性的国产偏振传感器 的指标参数,总结了各类载荷的探测能力。在此基础上,介绍了星载偏振传感器的主要定标方法,包括发射前实验室定标、星上定标和在轨定标。 偏振载荷具有增加卫星观测维度和精度、对大气颗粒物粒径和形状特征敏感、改善弱信号探测等方面的综合优势,能够获取全球范围内 高精度的大气气溶胶和云参数。星载对地观测偏振传感器具有广阔的大气遥感应用空间和潜力,可在细颗粒物PM2.5卫星遥感、关键气候 因子观测及评估、极端环境事件监测、气溶胶生态效应评估、对地观测高精度大气校正等多个领域发挥作用。

单光子计数技术是利用光电倍增管探测微弱光信号的一种有效方法,广泛应用于航空领域的激光雷达探测。针对激光雷达回波信号强度弱、数据量大、实时要求高等特点,设计了基于FPGA芯片的高速数据采集系统。该系统利用光电倍增管精确探测微弱的雷达回波信号,两个光子计数器通过乒乓操作实现了无时间间隙的计数采集,利用存储控制器和传输控制器对外围芯片进行控制,实现了对采集数据的实时缓存和高速传输。为验证采集系统的有效性,将其应用于米散射微脉冲激光雷达,实现7.5 km的有效探测,探测精度为7.5 m。在此基础上,将采集系统与EASY-MCS光子计数器的测量结果进行对比,其均方误差为8%,表明本系统具有良好的准确性和稳定性,可满足激光雷达对微弱回波信号采集的要求,在航空气象探测领域具有广阔的应用前景。