针对标准泡法在远距离SO₂监测定标不准确的实际问题，开展定标误差校正方法研究。首先，基于标准泡定标法原理以及大气辐射传输理论，提出消除光稀释效应影响的图像校正方法；然后，在充分分析窗片与滤光片反射以及气溶胶散射效应的基础上，对反射效应及散射特性对定标结果的影响进行量化；最后，综合上述影响因素计算得到光稀释效应校正及散射特性修正的定标曲线，并比较误差校正的标准泡定标法与DOAS定标法在反演SO₂柱密度图像以及SO₂排放速率之间差异。结果表明，所提出的校正方法可将标准泡法与DOAS法的定标结果差异从59%降低至7%，验证了该误差校正方法的有效性和准确度。

基于子午工程激光雷达的大气Rayleigh散射实验观测数据，开展了中层（30~65 km）大气温度结构反演计算和大气重力波事件识别的研究工作。在Chanin-Hauchecorne大气温度反演方法的基础上，采用SABER/TIMED、COSMIC卫星测量数据的对照分析方法，提高了中层大气温度结构反演的准确性；采用小波分析方法提取温度扰动的主要波动成分，并计算重力波活动的垂直波数谱Fam和时间频率谱Faω，增强了重力波事件识别以及特征参数提取的可靠性。基于设计的数据分析流程，完成了2011—2013年海南激光雷达站观测数据的分析工作，提取202个中层大气重力波事件的特征垂直波长λz*和特征周期Tob*。统计分析结果显示，海口上空中层大气常见重力波的特征垂直波长为5~9 km， 特征周期为5~13 h。该数据分析方法能满足Rayleigh激光雷达对中层大气温度结构精确探测以及重力波活动特性观测研究的需要，可为子午工程激光雷达观测数据的广泛应用提供服务。

中间层顶-低热层区域是地球大气中重要的空间区域。基于剥洋葱算法及氧分子气辉光谱理论，利用迈克耳孙全球高分辨率热层成像干涉仪（MIGHTI）测量的O₂-A波段气辉辐射强度图像，反演得到海拔为92~140 km的大气温度廓线。首先，根据氧分子气辉光谱理论，结合MIGHTI仪器参数，计算了其各光谱通道信号强度随温度的变化关系；然后，利用剥洋葱算法提取各光谱通道的目标层信号强度，并结合信号强度与温度的函数关系，反演得到大气温度廓线；最后，通过与SABER卫星的观测结果及NRLMSIS-00大气模型的仿真数据的对比，验证了MIGHTI温度反演的可靠性与合理性。误差分析结果表明，MIGHTI的温度探测误差随高度增加而增大，在92 km处为1 K，在140 km处为13 K。

脉冲激光由于具有峰值功率高、脉冲宽度窄等特点，在激光致声、激光焊接等领域中得到了广泛应用。使用特殊波形的脉冲激光，可获得比单脉冲高斯激光更加优异的应用效果，因此脉冲激光波形调节方法具有重要的应用价值。针对这一需求，提出并实验验证了一种基于分光延时的脉冲激光波形调节方法。首先对脉冲激光分光延时叠加原理进行了理论分析，设计出基于两次分光的四脉冲分光延时叠加光路，确定了产生矩形、三角形、驼峰形和双峰形脉冲激光所需的分光比与延时。然后搭建了一套基于Nd∶YAG脉冲激光器的二倍频532 nm激光的四脉冲分光延时叠加实验装置，成功获得了矩形、三角形、驼峰形和双峰形等特殊波形的脉冲激光。

临近空间风温遥感技术是研究大气动力学、热力学特性的重要手段，也是提高空间天气数值预报准确性的必要途径。针对临近空间大气风温遥感探测需求，通过分析临近空间风场和温度的探测原理和方法，并比较现有星载被动风温探测方式，提出了一种基于视场展宽迈克尔逊干涉仪的近红外星载风温成像干涉仪，其工作波长为O2分子在1.27 μm的谱线，探测范围覆盖整个临近空间。论述了系统工作原理和设计过程，其中，重点阐述了兼具视场展宽、色差矫正、温度补偿功能的Michelson干涉仪和用于对O2分子谱线鉴频的F-P干涉仪的设计，并进行了模拟仿真实验。仿真结果表明风速测量误差为18.98%，可满足临近空间大气风场和温度场探测要求。

提出一种多通道单脉冲激光能量变化的监测方法,用于实时监测脉冲激光的状态。首先采用多合一光纤束,对待测激光进行取样;再经过消色差透镜将光纤合束端面成像到CMOS图像传感器的感光面,通过软件获取光斑图像并提取不同光斑的灰度值,以表征脉冲激光能量;最后根据各待测激光总能量大小对灰度值进行标定,即可实现不同位置处激光能量变化的同时在线监测。利用该方法,对全高程全天时大气探测激光雷达系统中1064,532,589nm激光以及脉冲染料激光器中自发辐射 (ASE) 荧光的单脉冲能量变化进行了长时间同时在线监测,得到了激光雷达运行过程中这4束光单脉冲能量的变化情况,并根据监测结果计算了倍频晶体的倍频效率、脉冲染料激光器的转换效率及ASE比例系数。该研究为需要对多路激光单脉冲能量变化进行同时在线监测的光电系统提供了一种有效的解决方法。

大气探测激光雷达利用激光与大气的相互作用来主动遥感测量大气参数, 在大气科学研究、环境监测、气象预报等领域发挥着越来越重要的作用。大气密度随高度呈指数下降, 对流层以上的高层大气密度稀薄, 探测难度较高, 探测手段较少, 探测数据也较少。随着激光雷达技术的发展, 激光雷达对高层大气密度、温度、风场等参数的探测能力逐步提高, 获得了较为丰富的高时间、空间分辨的观测数 据, 并应用于中高层大气模式发展、临近空间环境保障等领域。系统地介绍了高层大气激光雷达探测机制、国内相关激光雷达的探测能力及台站建设情况, 并对高层激光雷达的发展趋势和应用前景进行了展望。

工业烟囱及船舶尾气中SO2气体排放是造成大气污染的重要因素。 SO2容易被氧化生成硫酸雾或硫酸盐气溶胶, 产生酸雨, 严重危害大气生态环境平衡及人类健康。 现有的SO2光学遥感测量技术, 如拉曼散射激光雷达、 差分吸收激光雷达 (DIAL)、 傅里叶变换红外吸收光谱(FTIR)、 紫外差分吸收光谱(DOAS)、 高分辨光谱成像等, 难以兼顾气体污染监测对高时间分辨率、 高空间分辨率以及便携机动等应用需求。 近年来, 紫外SO2相机成像探测因探测精度高、 实用性强得到迅速发展, 该技术时间分辨率高、 空间分辨力强, 能从解析图像中直观在线获取污染气体浓度在空间的二维分布及随时间的排放率, 对于监测环境污染有重要作用。 基于紫外SO2相机成像探测技术, 围绕SO2柱浓度探测的测量原理及影响因素、 仪器设计及实验方法、 反演算法及结果比对等方面开展研究。 取得的成果主要有: (1)利用窄带滤光片的窄波窗口, 用紫外相机测量310 nm附近的SO2紫外吸收, 建立了紫外成像遥感监测理论模型, 介绍了紫外成像遥感检测获取SO2浓度图像的测量原理; (2)将滤光片放置镜头前后, 讨论了不同入射角对滤光片中心波长及透过率曲线的影响, 发现滤光片放置镜头后, 相机系统对SO2的灵敏度受入射角影响更小, 对SO2浓度图像的反演误差更小; (3)分析了太阳高度角对SO2浓度图像反演的影响, 阐明了SO2浓度反演曲线实时校准的不可或缺性; (4)通过理论分析设计出了紫外成像遥感探测装置, 开展了基于紫外成像遥感监测SO2气体排放的实验研究, 通过2-IM法拟合出了人工天空背景, 获得了SO2光学厚度图像, 利用标准泡进行校准, 反演出了SO2浓度图像; (5)采用DOAS技术对SO2气体排放进行监测, 与紫外成像遥感获得的SO2浓度进行对比表明, 两方法实验结果所计算得到的浓度信息趋势相一致, 从而证明紫外成像遥感监测技术测量结果的准确性, 同时展现了该技术在工厂烟囱及船舶尾气污染排放遥感监测中的巨大应用前景。