准确的风场数据对于平流层飞艇实现长时间驻空任务有着重要的安全保障作用。针对20 km高度处空气稀薄的特点，为实现平流层飞艇航行环境的风场探测需求，设计了波长为532 nm的直接探测多普勒光纤激光风速仪。使用双通道法布里-珀罗标准具为鉴频器和波长可调谐的脉冲光纤激光器，完成了系统的结构设计。系统参考了相干测风激光雷达的光路设计，采用收发合置的望远镜设计方案，无探测盲区，接收视场角较小，提高了全天探测的性能。利用液晶相位延迟器的光束偏振特性可实现光路探测方向的控制。以最小的风速探测误差为标准，通过仿真分析选取了法布里-珀罗标准具的各项参数，并对系统的风场探测性能进行了分析。仿真过程中，激光器的平均功率为500 mW，积分时间为10 s，距离分辨率为100 m，分析结果表明，风速误差在500 m探测距离内小于1 m/s，计算得出的风向误差在风速大于10 m/s的情况下，其风向精度优于5°。

利用大气本底站监测数据验证了大气红外探测仪 (AIRS) 反演数据 (2003年3月―2021年2月)，在此基础上基于AIRS数据分析了南极臭氧柱总量时空分布以及变化特性，并进而利用线性回归、相关性分析、小波分析等方法，结合平流层温度和海冰数据，分析了南极臭氧柱总量变化特征的影响因素。结果表明：AIRS反演数据与大气本底站监测数据的相关系数均在0.945以上，具有较高的准确度和平稳性。南极臭氧柱总量的时间变化具有很强的周期性，谷值与谷值交替约为12个月。通过小波时-频结合分析发现，南极臭氧柱总量明显存在时间尺度为2、4、6、8～10、13年的周期，其中震荡最剧烈的第一主周期13年又以10年为周期变化，第二主周期6年又以4年为周期变化，2003―2021年内第一主周期经历了2次高-低变化期，第二主周期经历了4次高-低变化期。臭氧柱总量随季节变化明显，春季是南极臭氧柱总量最高的季节，冬季、夏季、秋季依次次之。南极臭氧的空间分布特征差异较大，总体来看纬度越高，臭氧柱总量越低，并在85° S附近达到最低值。南极洲大部分区域平流层温度与臭氧柱总量呈显著正相关，统计结果显示当平流层温度小于189 K时会出现臭氧洞；南极海冰范围与南极臭氧柱总量变化基本一致，两者皆存在2、6～8、12～14年的变化周期，但海冰范围变化要早一个月。

本文分析了红外干涉成像现状和难点，介绍了激光本振红外相干探测的原理，阐述了基于电子学的红外光谱细分和干涉成像原理，讨论了激光本振红外阵列探测器形式。激光本振和相干探测器的设置，可保证两个望远镜的红外信号相位的正确传递，在电子学实施窄带滤波形成的窄带红外信号有利于实现长基线干涉成像。在此基础上，类似微波综合孔径射电望远镜，通过不同空间位置的多个较小孔径，组合形成一个大的光学口径，以红外光谱“射电”望远镜形式实现高分辨率天文成像，可大幅降低红外成像系统的复杂度和体积重量。介绍了平流层飞艇平台的特点，该平台为长基线大衍射口径望远镜的安装提供了有利条件，且可大幅减少大气对天文观测的影响，有望成为天文观测的新型平台。给出了10 m基线、2 m衍射口径红外光谱干涉成像望远镜的布设方案，分析了其探测和成像性能，讨论了关键技术及其可能的技术途径。分析表明，基于平流层飞艇平台，3个2 m衍射口径望远镜的组合在10 m基线下可等效实现口径10 m望远镜的红外天文观测能力。

一台基于分子双边缘鉴频技术的车载瑞利多普勒激光雷达系统，于2014年至2016年先后在山西忻州（38.42°N 112.72°E）和甘肃酒泉（39.74°N 98.49°E）地区对平流层风场进行连续观测。观测结果表明：18~25 km范围内，酒泉春、秋季节以及忻州冬季均出现了准零风层大气结构，并伴有明显的上下浮动现象，该准零风层结构与2011年夏季新疆乌鲁木齐（42.1°N 87.1°E）多普勒激光雷达系统观测到的结果具有明显差异。分析认为：由于5月与10月处于短暂的季节过渡时期，中纬度地区平流层东风环流尚未稳定导致零风线的上下浮动；2015年1月忻州地区出现平流层准零风层与平流层爆发性增温有关。