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。

用583 nm半导体倍频激光器获得了碘分子R67（15-1）跃迁的超精细分量调制转移谱（MTS）。针对超冷铒原子实验中冷却光的频率稳定，利用Pound-Drever-Hall（PDH）稳频技术作为前级反馈将激光器稳定在法布里-珀罗腔，用碘分子MTS稳频作为后级反馈，以克服光学参考腔不可避免的长期漂移。稳频后4 h的监测结果表明，相比仅用PDH稳频的漂移量（205 kHz），双系统稳频时的最大频率起伏为±12 kHz，满足超冷铒原子实验系统长时间稳定运转的需求。本方案拓展了碘分子光谱在583 nm激光稳频的应用，也为激光冷却铕、铥等元素中冷却光的频率锁定提供了参考。

海洋温度和盐度是重要的海洋环境参数，对了解海洋性质、生物多样性具有重要作用。本文基于碘分子吸收池的边缘探测技术，将携带有温度信息的布里渊散射光分为三束，这三束光分别通过三个压强不同的碘分子吸收池，形成三个探测通道，得到两个信号的强度比值信息；之后利用迭代算法即可同时反演出被测区域的温度和盐度信息。采用探测器输出信号强度比值的形式能有效抑制激光器光强抖动带来的影响。为将测温误差控制在0.2 K以内，所提算法对探测器输出强度比值的随机抖动程度为1.3‰。本技术路线具有不受入射角影响、测量速度快、无需事先知晓盐度信息等优势，有望应用于机载、星载等移动平台上。

高光谱分辨率激光雷达能够在无需假设激光雷达比的情况下,实现气溶胶光学参数的高精度定量观测。研制了一台用于气溶胶光学特性观测的机载高光谱分辨率激光雷达,并将其用于机载观测试验。针对气溶胶光学参数反演算法进行相应改进,选取不同飞行区域和不同飞行架次的试验数据进行反演,结合太阳光度计、大气污染物输送扩散轨迹模型HYSPLIT和卫星数据等对气溶胶特性进行分析。分析结果表明,不同区域的气溶胶光学参数有明显差异:在城镇、工厂等人类活动频繁的区域,气溶胶的消光系数最高超过1.2 km -1,激光雷达比随高度变化较大,最大可达60 sr,0~3 km高度层的气溶胶光学厚度集中在0.7~1;山区和海洋区域气溶胶的消光系数集中在0.2~0.8 km -1,激光雷达比随高度变化较小,数值集中在5~30 sr,0~3 km高度层的气溶胶光学厚度集中在0.3~0.7。气溶胶的分布受风、天气、污染过程等气象条件的影响,不同日期同一区域的气溶胶光学特性也受大气污染物输送扩散等因素的影响。

研制了一台基于种子注入激光器和碘分子吸收滤光器的高光谱分辨率激光雷达。介绍了该系统的基本原理、数据反演方法和系统结构。分别在有云天气和沙尘天气时进行了高光谱分辨率激光雷达探测大气透过率的实验, 并与用常规Fernald方法反演的结果进行对比。观测结果显示, 不同种类的气溶胶粒子以及云具有不同的物理和光学性质, Fernald方法中假设的激光雷达比往往不符合实际情况, 因此会产生较大的测量误差。而高光谱分辨率激光雷达可以利用分子散射和气溶胶散射的谱宽不同, 将两种信号分离探测, 避免了假设激光雷达比, 从而实现大气透过率的高精度定量探测。

阐述了星载对地测风激光雷达系统对于全球大气气象研究的意义,总结了国际星载测风雷达系统的研 究思路。介绍了中国海洋大学在国际上地基、机载、星载这一激光雷达研究思路下,基于碘分子吸收滤波 器设计的车载、机载激光雷达系统和相关系统的验证实验,在地基测风系统的基础上建立了532 nm波段 基于碘分子吸收滤波器或法布里-珀罗滤波器的Labview星载模拟软件。使用车载系统的实际测量数据对使用碘分子吸收滤波器的 模拟测风激光雷达软件在0～3 km和3～20 km的测风精度进行模拟验证,结果表明回波累积脉冲次数在1300次 的时候,可以达到星载测风雷达的测量要求。

模拟了基于355 nm波长双边缘 Fabry-Perot(FP)鉴频器和基于532 nm波长碘分子鉴频器的 星载测风激光雷达系统性能。进行的比较和分析主要包括激光出射光子数、大气后向散射强度、 探测器、鉴频器及测风灵敏度等。给出了星载平台系统接收后向散射信号的信噪比和测风误差, 以评估两种激光雷达系统的性能。结果表明,在距地面0～5 km高度范围, 532 nm碘分子鉴频器系统 测风误差低于355 nm 双边缘FP系统,而对于距地面5 km以上大气范围, FP系统风速误差比碘分子 鉴频器系统低25%。

碘分子1107-1108吸收线之间有一个光谱透射率峰。基于该光谱透射率峰的碘分子滤波器对大气分子的瑞利散射有强烈的抑制作用,而对大气气溶胶的Mie散射影响较小。利用这种碘分子滤波器构成的高光谱分辨率激光雷达可以分离大气分子散射和气溶胶散射,从而能够测量大气后向散射比和大气风场。对测量原理和测量精度进行了详细推导,并利用合理的激光雷达和大气参数进行了计算机模拟。模拟结果表明,对于大气后向散射比的测量,夜晚大气高度25 km、白天8 km以下可以达到5%的精度;大气视线风速测量范围为±40 m/s,测量精度在夜晚大气高度5 km、白天4 km以下时优于5%。

The sensitivity of Doppler wind lidar is an important parameter which affects the performance of Doppler wind lidar. Aerosol scattering ratio, atmospheric temperature, and wind speed obviously affect the measurement of Doppler wind lidar with iodine filter. We discuss about the relationship between the measurement sensitivity and the above atmospheric parameters. The numerical relationship between them is given through the theoretical simulation and calculation.