强飞秒激光在空气中传输时，其传输距离会远远超越衍射极限，产生高强度光丝和低密度等离子体，并伴随超连续白光的辐射，这为远距离遥感探测大气污染物提供了一种有效的技术途径。面向天基遥感应用，概述了强飞秒激光长距离传输的研究进展，包括光丝传输的基本研究方法、产生长距离光丝的方法、调控光丝特性的手段以及飞秒激光光丝超长距离的传输，并对光丝在大气遥感应用中的优越特性和需要解决的基础科学问题进行了总结。

基于被动傅里叶变换红外光谱仪设计开发了一种新的快速气体识别算法, 利用改进的动量梯度下降法对实测的亮温光谱进行快速的光谱拟合。该方法不需要预先测得背景光谱, 能直接从实测光谱中扣除大气气体和天空等背景的干扰, 在提取出污染气体成分以及浓度的同时, 能实时得到大气中主要气体的浓度程长积, 此方法适用于低空背景下弱信号的污染气体识别分析。

基于聚类思想设计了二维和三维云相态聚类识别算法,结合偏振激光雷达、微波辐射计和毫米波雷达资料,进行了云相态的精细识别与分类方法研究。将云粒子的体退偏比、温度和反射率因子作为聚类网络学习的输入特征量,通过无监督学习区分云层中不同相态的簇划分结果,利用簇划分结果实现了对云相态的精细识别,解决了传统云相态识别中采用单一阈值算法导致的结果误判问题。所设计算法可以实现云中过冷水区、暖云液态水区和冰相的高效识别,同时对混合云相态实现了冰占主导和水占主导的细分。利用偏振激光雷达、微波辐射计和毫米波雷达对西安市上空云层进行了观测,反演了三台仪器的同步观测数据。利用所设计的聚类识别算法对2021年1月9—10日和2021年6月8—9日观测到的云数据进行了二维聚类和三维聚类识别与分析,实现了云层内暖云滴、混合相(冰占主导、水占主导)、过冷水和冰相的区分。通过比较与分析,发现三维聚类识别算法比二维聚类识别算法更能详细地展现相态转换过程的细节信息,整体识别结果与实际天气变换过程吻合。

利用紫外恒星对远紫外高光谱成像光谱仪进行在轨定标是实现高精度定量遥感的重要步骤。然而,在上述过程中,在轨定标系数无法直接用于目标反演。因此,转换在轨定标系数对提升仪器在轨定标精度具有重要意义。推导了定标系数的转换过程,给出了新的定标系数方程,并利用研制的仪器开展了相关验证实验。结果表明,利用修正后的定标系数进行目标反演,可将反演精度提升40%。

磁暴等空间天气事件会引起热层中性成分O和N2浓度的显著变化, 故常将氧原子和氮分子的柱密度之比O/N2作为电离层热层受扰动的标志。 研究表明, O和N2柱密度之比O/N2与远紫外气辉OⅠ 135.6 nm和N2 Lyman-Birge-Hopfield(LBH)的柱辐射强度之比135.6/LBH具有很好的相关性, 因此远紫外光学遥感探测对于监测磁暴等空间天气事件显得尤为重要。 自20世纪70年代以来, 国外就开展了远紫外气辉电离层探测的研究工作, 并相继发射了多颗相关卫星, 尤其是美国、 日本以及瑞典等国家。 而我国在轨运行的星载光学遥感探测仪器中, 只有一些工作在微波波段、 可见光波段的载荷, 还没有在远紫外波段工作的遥感探测仪器, 直到2017年11月风云三号D气象卫星的成功发射, 卫星上搭载的电离层光度计是我国首台星载远紫外气辉遥感探测载荷, 它为我们提供了一系列具有自主知识产权的远紫外探测数据, 为开展电离层O/N2特性的研究奠定了基础。 首先阐述了利用柱辐射强度之比135.6/LBH来反演热层中性成分柱密度之比O/N2的理论依据。 其次, 基于MSISE-00大气模型, 利用AURIC来仿真计算135.6/LBH与O/N2之间的比例系数, 然后利用电离层光度计实时观测的远紫外气辉数据来反演电离层O/N2, 进一步验证磁暴期间电离层中性成分受扰动的情况。 在数据处理过程中, 采用了切比雪夫滤波器滤波方式针对数据中的带外杂散光进行了处理, 进一步抑制了杂散光信号对远紫外光谱信号的影响。 最后, 将电离层光度计O/N2的反演结果与国外光学遥感载荷全球紫外成像仪GUVI（Global Ultraviolet Imager）的结果进行对比, 结果显示二者对磁暴的响应一致, O/N2的产品误差RMS约为0.319 6, 文中对造成两者差异的可能原因做出了初步分析, 为后续工作的开展奠定了基础。 此次研究, 首次利用我国自主研发的远紫外气辉遥感探测载荷进行数据反演和分析, 这对我国电离层远紫外遥感探测技术的发展具有重要意义。

远紫外波段(115～200 nm)光学遥感是在卫星上获得空间环境参数, 如O, N2和O2等中性大气原子分子柱密度及廓线分布、 电离层电子密度TEC、 电子密度廓线、 等离子体含量、 大气温度廓线、 太阳EUV流量、 能量粒子沉降等信息的重要探测技术, 也是最具发展潜力的空间天气探测方法之一。 定量获得这些物理参量的重要过程之一是载荷的辐射定标, 包括发射前实验室定标和在轨定标。 发射前定标给出载荷的原始定标系数, 而在轨定标则给出仪器在轨运行一段时间后定标系数的变化。 远紫外探测技术用于中高层大气、 电离层、 磁层、 太阳活动等方面的研究从19世纪70年代就已经开始, 以美国为代表的一些国家已将远紫外探测列入空间天气监测的长期规划, 并且开展了大量的在轨定标技术研究, 确保载荷数据的长期定量化应用。 我国在本世纪初才开展远紫外波段载荷技术的研究, 在轨定标技术基本属于空白。 在轨定标方法包括基于外部标准辐射源定标、 基于内部辐射标准源定标和替代定标三种。 以国际上具有代表性的远紫外探测载荷为例, 分析和总结这三种定标方法分别用于成像探测、 光谱成像探测和光度计三种主要的探测类型仪器上的定标方案、 在轨定标数据处理方法及处理结果。 对多种类型载荷及不同定标源定标方法及结果分析表明, 对于视场较大, 且具备深空观测能力的远紫外波段成像仪器及成像光谱仪, 首选外定标源法, 即采用远紫外辐射相当稳定且已知光辐射强度的的紫外恒星作为辐射标准源, 根据运行轨道进行定标模式合理设计, 并结合实验室定标数据, 实现在轨全视场定标; 对于光度计类的单点探测仪器, 由于视场限制, 极少有恒星观测条件, 故推荐采用替代定标方式, 实现载荷在轨长期监测, 但在定标数据的选取及时空匹配方面应详细分析, 以提高定标精度; 而利用内部标准源进行定标的方法, 标准源本身的衰减问题是亟待解决的问题。

提出并分析了以O2(a1Δg)O19P18(7 772.03 cm-1)发射谱线为目标源进行平流层、中间层大气风场星载临边探测的可行性及优势.基于大气模型和辐射传输理论建立O2(a1Δg,υ′=0)→O2(X3Σg,υ″=0)带的辐射传输模型, 并分析多重散射和非局地热平衡效应影响下的目标源临边光谱辐亮度.表明发射线O2(a1Δg)O19P18(7 772.03 cm-1)自吸收微弱、辐射强、光谱分立度好, 能大大降低对测风干涉仪光谱分辨率、滤光系统带宽的要求, 进而使载荷更易于实现小型化、高稳定性.以星载测风多普勒差分干涉仪技术方案为例, 对以O2(a1Δg) O19P18(7 772.03 cm-1)为探测目标源的视线风速反演精度进行了仿真分析, 结果表明40~70 km高度范围内视线风速测量精度优于5 m/s; 适当放宽风速反演精度情况下, 探测范围能够向40 km以下扩展.研究结果将为平流层、中间层大气风场星载探测提供一条低成本、高精度、自主可行的技术路线.