回顾了湍流大气中光学成像分辨率研究的发展历程：Fried得到了Kolmogrov大气湍流中成像分辨率的理论公式，提出了一个光学工程中广泛应用的Fried参量r₀；研究发现当成像系统的口径大于r₀时，其成像分辨本领由r₀决定；多位学者探讨了大气湍流外尺度对成像分辨率的影响，发现当外尺度与成像系统口径相仿甚至更小时，大气湍流的影响会大大减弱。因此大气湍流外尺度的定量获取至关重要。但由于大气湍流外尺度的定义是定性的，它与大气参数以及各种光传播效应参量之间没有清晰的联系，各种方法得到的结果的一致性有待深入分析，需要一个定量的定义，并进行系统的测量研究。

以海洋一号C/D卫星中国水色水温扫描仪［COCTS （HY-1C/D）］的光学薄膜研制为例，介绍了海洋水色定量化遥感中应用的光学薄膜技术。在单片基片的不同通道区域依次镀制多块滤光膜以抑制杂散光的产生，充分研究了光束空间角频率分布带来的光谱及偏振影响，实现了5%带宽的定位精度，将通道滤光膜对偏振灵敏度的影响降到0.3%以下，采用双离子束溅射工艺来保证膜层的可靠性和光谱性能。此外，通过光学薄膜元件的偏振调控设计以及元件间的偏振补偿，实现了系统偏振灵敏度达到国际先进水平，0°扫描角时的平均偏振灵敏度小于1%。光学薄膜技术的应用有效提升了海洋水色的定量化遥感质量，结合大气校正，COCTS （HY-1C/D）获得的水色产品数据量化精度与美国的中分辨率成像光谱仪（MODIS）和可见光红外成像辐射仪（VIIRS）相当。

使用气溶胶自动观测网（AERONET）东沙站的长期观测资料，初步建立逐月的南海东沙海域气溶胶光学特性模型。长期观测数据表明，东沙海域气溶胶光学厚度（AOD）基本低于0.5，春秋两季达到峰值，夏季最低。气溶胶粒子的有效半径在春秋两季较小，其余月份在0.5 μm左右。使用三模态对数正态函数拟合区域气溶胶粒径谱，得到细模态半径为0.1 μm，中间模态半径为0.28 μm，粗模态半径为2.2 μm。基于多波段AOD观测数据，评估该模型计算所得AOD光谱和透过率误差，可见和近红外波段透过率的均方根误差（RMSE）为1%~2%，AOD的RMSE为0.01~0.03。结果表明，所建气溶胶模型可以准确描述东沙海域的气溶胶光学特性，满足工程计算的精度要求。

研究了海洋湍流中部分相干厄米-高斯光束的传输特性。首先，根据广义惠更斯-菲涅耳原理，建立了海洋湍流中厄米-高斯光束的强度分析模型。然后，推导了海洋湍流中厄米-高斯光束的均方束腰宽、瑞利区间和湍流距离的表达式。最后，对海洋湍流中厄米-高斯光束的均方束腰宽、瑞利区间和湍流距离进行仿真分析。仿真结果表明，均方束腰宽随着均方温度耗散率和温度与盐度相对参数的增大而增加，随着湍流动能耗散率的增大而减小。此外，瑞利区间和湍流距离都随着厄米-高斯光束的阶数的增加而增大。该研究可以为水下光通信研究提供理论依据。

海洋湍流和光源参数对涡旋光束的信道容量有十分重要的影响。本文根据Rytov近似理论，利用有限外尺度且不稳定分层的各向异性海洋湍流功率谱，并引入xy平面上的两个各向异性因子来研究完美涡旋（PV）光束、拉盖尔高斯（LG）光束和贝塞尔高斯（BG）光束在海洋湍流下的信道容量，数值模拟了束腰半径、接收孔径直径和海洋湍流参数等对三种光束信道容量的影响。数值结果表明：当传输距离在30~70 m时，较小束腰半径（小于4 mm）的PV或者LG光束可获得比BG光束更大的信道容量；但较大束腰半径（大于12 mm）的PV或者LG光束的信道容量却大于BG光束。此外，当束腰半径小于2 mm时，PV光束的信道容量要大于LG和BG光束，表明采用窄束腰半径（小于2 mm）的PV光束相比LG和BG光束可以增大光通信系统的信道容量。本文的研究结果对海洋环境中光通信光源参数的选择具有重要意义。

针对星地激光单向授时受大气色散影响而产生授时偏差的问题，利用气象实测数据建立大气折射率对星地激光单向授时偏差的影响模型。以该模型为基础，分别研究了单星对地授时和四星对地授时模式下，不同地区、不同月份、不同天顶角和激光波长对大气色散引入的单向授时偏差的量值范围和变化规律。结果表明：大气温度越高，大气压强越低，接收天顶角越小，大气色散引入的单向授时偏差越小；星地单向授时偏差在10 ns量级，通常大气色散导致授时偏差的全年波动峰峰值小于1 ns。

传统气溶胶反演方法通常先基于模型假设确定地表反射率，但反演结果会受到假设的影响；而深度学习方法基于数据驱动，能在气溶胶定量反演中得到更加准确、高效的结果，但模型训练需要充足的优质样本数据支持。为此，使用大气辐射传输模型构建模拟样本，支持深度学习方法实现气溶胶定量反演，旨在解决当前训练数据代表性不足、数据获取困难的问题。利用辐射传输模型模拟不同参数条件下传感器获得的辐射信息，考虑概率组合及筛选标准限制进行模拟数据构建，并使用深度置信网络（DBN）对模拟样本进行训练，获得气溶胶反演模型。将模型应用于Landsat-8数据，在中国北京地区开展气溶胶反演实验。最后使用AERONET地面站点的实测数据对反演结果进行精度验证。验证结果表明，模型估算的气溶胶与站点测量值吻合良好，相关系数为0.8989，均方根误差为0.1029，约74.05%的估算值在误差标准内。本文提供了一种基于辐射传输方程构建样本数据集的思路，可减少样本质量与数量导致的局限性，实现深度学习方法对气溶胶光学厚度的高精度反演。

激光在海水传输过程中，接收视场逐渐增大、多次散射逐渐增强，导致叶绿素剖面反演误差较大。针对该问题，以反向传播（BP）神经网络为基础，建立了一个激光雷达回波信号反演叶绿素a浓度剖面的模型。数据集中包含标签-叶绿素a浓度与特征-激光雷达回波信号剖面。获得激光雷达回波剖面后，为了增强输入特征，使用随机抽样一致（RANSAC）算法剔除噪声，完成数据集搭建，进而以不同层网络的均方误差确定模型结构。反演结果显示：相比于传统的利用后向散射系数反演叶绿素浓度的方法，基于激光雷达回波的BP神经网络叶绿素剖面反演算法在验证集上的相对误差、均方根误差、平均误差分别降低了34%、0.363 mg/m³和0.213 mg/m³，相关系数提高了0.18。传统方法在50 m深度水体的叶绿素浓度相对误差为39%~93%，基于神经网络的剖面反演算法对应的相对误差为17%~36%，反演精度具有较大提升。对于实测数据，LIMC-BPNN反演结果的相对误差为13%。结果表明，相比于传统叶绿素反演方法，基于深度学习的叶绿素剖面反演算法能够有效提取激光雷达回波特征，得到更好的反演结果。

衍射深度神经网络（D2NN）通过无源衍射层的深度学习，可实现快速高效的深度学习功能。利用多组不同湍流强度干扰下的轨道角动量（OAM）态和目标OAM态组成的训练数据集对设计的D2NN网络组件进行训练，更新和优化组件中各参数，直到由D2NN输出的OAM态与目标OAM态的平方误差损失函数达到预定的阈值，便可获得实现高速、高精度的OAM波前校正的D2NN组件。测试结果表明：D2NN迭代次数、衍射层数、训练参数的选择会对组件的校正速度和准确度产生影响，通过D2NN可以实现受大气湍流干扰的OAM态的高精度校正；当大气湍流强度为10^-14 m^-2/3、D2NN网络层层数为8时，组件性能最佳，其损失函数相比5层网络层的D2NN降低超过45.45%；而对于更强大气湍流的干扰，可以通过增加网络训练时的迭代次数来提高校正的准确度，迭代20次后损失函数的值降低率达到98.03%；对于湍流强度较弱的干扰，训练时采用纯相位参数，组件的性能更优；而对于强湍流的干扰，训练时采用相位参数与振幅参数两者相结合的方法，组件的性能更优；除此之外，OAM态的拓扑荷值越小，校正后的失真度越小。

气溶胶是地气系统辐射强迫评估的主要不确定来源之一，激光雷达探测的气溶胶廓线数据有助于定量评估气溶胶的气候效应。除已发布的气溶胶观测产品外，大量气溶胶激光雷达观测数据分布于文献中。然而，目前尚缺乏对气溶胶历史文献数据的整合分析。因此，聚焦现有观测产品较缺乏的激光雷达比参数，充分考虑气溶胶的类型差异，提出了一种激光雷达比历史文献数据的模糊综合评价分析方法。基于Web of Science数据库，发现不同类型气溶胶（沙尘、沙尘混合、火山灰、海洋、烟尘、城市工业气溶胶）的激光雷达比均呈高斯分布，且集中范围均存在重叠。历史文献数据能与气溶胶观测数据产品提供的数据形成互补，所提出的模糊综合评价分析方法有助于提升人们对气溶胶光学特性的认识。

介绍了激光多普勒测速仪（LDV）的原理，分析影响LDV测量精度的因素，研究了激光多普勒海流计（LDCP）在海流和海洋微尺度湍流测量中应用的可行性，通过理论计算得到系统参数及校正系数。LDCP系统的探测性能经过野外实验的验证，结果证明了激光多普勒测速技术在海洋微尺度湍流中应用的可行性。

水下结构状态视觉检测过程中，观测相机镜头易受到水体中枯叶、藻类等悬浮杂质遮挡，导致水下结构表观影像信息丢失，影响检测效果。针对该问题，利用水下视频序列中的帧内空间信息与帧间运动信息，提出一种悬浮杂质遮挡消除方法。根据相邻帧间的光流场分布信息，提出位移补偿策略，消除相机移动导致的帧间背景偏移；结合悬浮杂质成像特性，建立动态视觉感知模型，在对齐后的相邻帧基础上，实现不同形态悬浮杂质的准确检测；构建一种混合引导修复模型，确立帧间最优互补信息，还原悬浮杂质遮挡区域。在构建的真实与合成数据集上的测试结果表明，本文方法能够准确检测并消除悬浮杂质的遮挡，处理后的图像质量在多项指标上均得到明显提升。

基于离轴积分腔输出光谱技术（OA-ICOS）设计并搭建一套近红外二氧化碳（CO₂）和甲烷（CH₄）传感系统，用于快速、实时和原位监测环境中的CH₄和CO₂。通过加入射频（RF）噪声源减少离轴积分腔输出光谱中的残余腔模式，从而提高了基于OA-ICOS的CH₄和CO₂传感系统的信噪比、精度和测量灵敏度。结果表明：加入RF噪声源后OA-ICOS系统的测量精度相对于无噪声源的系统提高了2.74倍。由Allan方差结果可知，在加入RF噪声源的OA-ICOS系统中，CO₂和CH₄的Allan方差值始终优于无噪声源的OA-ICOS系统，在1000 s时CO₂和CH₄的探测极限分别为0.55×10^-6和5.78×10^-9，相对于无噪声源的OA-ICOS系统探测极限至少提高了3倍。在5 s的平均时间下，加入RF噪声源的系统中CH₄和CO₂的噪声等效灵敏度分别为1.70×10^-9cm^-1·Hz^-1/2和1.07×10^-9cm^-1·Hz^-1/2。此外，对大气中CH₄和CO₂浓度水平进行了为期4 d的连续监测，以验证所发展的CH₄和CO₂传感器系统的稳定性和可靠性。

针对水下无线激光通信链路性能劣化问题，基于Yue谱推导了在包含有限外尺度和海洋水体分层不稳定度的弱海洋湍流信道下高斯光束的空间相干半径和闪烁指数闭合解析式，量化了基于高斯光束的海洋分集接收系统中的湍流强度和探测器间距阈值。在此基础上设计了一种基于高斯光束的里德-所罗门（RS）编码联合均衡等增益合并（EEGC）算法的单入多出（SIMO）通信系统。利用双曲正切函数法推导了系统的上限平均误码率（ABER）闭合解析式，并研究了海洋水体分层的不稳定程度和探测器分布方式对系统性能的影响。仿真结果表明，海洋水体分层的稳定与否对系统性能影响较为明显。此外，所设计的系统可有效抑制复合海洋信道下高斯光束的湍流效应，湍流越强，抑制效果越显著；也可有效降低探测器的分布方式对采用高斯光束传输的SIMO系统性能的影响。

针对水下光通信受湍流、生物活动等影响引起链路失准，或通信距离改变导致接收光强变化较大的问题，结合直流偏置正交频分复用光信号的特点，提出了一种自适应光强探测电路。该电路通过自动增益控制技术调整对接收信号的放大倍数，输出稳定的电信号。首先对自适应光强探测电路的相关参数进行理论分析和仿真验证，然后设计研制该电路并进行空气信道和水下信道的实验测试。结果表明，该电路能够实现对不同强度光信号的自适应调节，输出电信号峰峰值基本稳定在600 mV左右，波动范围为-3.3%~3.3%。

针对远距离无线光通信中光束跟踪受长距离大气传输不确定因素影响大的问题，提出了一种利用双反射镜的无线光系统结构。针对双反射镜到接收端的短轴跟踪控制设计了滤光片转盘模块，通过给反射光斑施加频率扰动的方式来实现对相机探测面上双光斑的辨别，并以探测面上双光斑的重叠情况作为判别光束对准的依据。对于存在偏移的重叠双光斑图像，提出多光斑/重叠光斑中心提取的思路，利用最小二乘法椭圆拟合实现重叠光斑的分割，并对无重叠、较少重叠以及较多重叠三种情况下的光斑图像进行分割实验。研究结果显示，在光斑重叠的场景下，光斑中心定位与实际位置之间的标准差小于0.5 pixel，因此所采用的算法在重叠光斑的分离方面具有很好的效果。

考虑大气湍流及电解调模块相位噪声对光通信系统性能的影响，基于低密度奇偶校验（LDPC）编码设计了一种自适应概率整形（PS）的实用自由空间光通信编码调制方案，实现以比特度量解码速率为目标函数的速率自适应，采用启发式算法求解M元正交幅度调制（M-QAM）信号星座点概率质量函数（PMF）分布的最优问题。结果表明：在弱湍流与相位噪声的联合影响下，概率整形正交幅度调制（PS-16-QAM）在最优概率分布下的比特度量解码速率比均匀分布16-QAM下更逼近香农容量。当湍流强度一定时，相位噪声增大对低信噪比下选取的PS分布影响更大，当前向纠错译码前的误码率为10-2时，提出的PS方案与均匀分布编码调制系统相比最高可获得4.8 dB的整形增益。

针对目前图像匹配算法在月面宽基线、弱纹理和光照变化等条件下匹配成功率低的问题，提出基于视图合成与全局注意力的月面图像匹配方法。首先对同站点月面双目图像使用稀疏视差虚真值训练立体匹配网络，完成同站点图像的三维重建。基于场景深度，结合站点之间惯导先验位姿将待匹配图像转为新的合成视图用于匹配，解决不同站点宽基线图像对之间图像重叠度低、视角变化大等问题。进一步使用基于Transformer的图像匹配网络，提高弱纹理场景下的图像匹配性能，并在后处理阶段引入考虑平面退化的外点滤除方法。在真实月面宽基线图像数据集的结果表明，相比现有算法，提出的匹配算法大幅度提高了宽基线场景下的月面图像匹配精度与成功率，为月球车大跨度行驶中的自主视觉定位提供了重要基础。

针对卫星上相机对高信噪比、抗辐照等特殊要求，提出一种基于长光辰芯公司的科学级CMOS探测器HR400的多光谱相机成像电子学系统设计，采用FPGA加SRAM缓存的系统架构，重点讨论了CMOS探测器的驱动设计和图像采集技术。首先，针对滤光片轮式多光谱相机曝光时间变化会导致成像偏振方位角差异的问题，提出一种能够根据曝光时间动态调整的延时成像方法，将通道通光中心作为成像的采集中心，保证不同曝光时间下采集的图像中心位置一致且处于最佳采样位置；然后，针对该延时成像方法的成像中心位置误差进行分析；最后，对相机成像性能和不同曝光时间的偏振方位角进行测试验证。测试结果表明：成像系统的时域暗噪声为71.6（等效电子数），当系统光强为饱和光强的80%时，信噪比为588.1，满足载荷成像要求；延时成像方法对由曝光时间导致的偏振方位角差异有明显改善。

在轨辐射定标是极轨气象卫星光谱成像仪定标的重要组成部分，是实现高定量化遥感的重要技术手段。星上定标器以太阳作为长期稳定的参考光源，以定标器漫透射板作为基准传递媒介，漫透射板的标定精度直接决定了星上定标精度。根据风云三号E星轨道特点和光谱成像仪工作模式，星上定标器采用了漫透射板这一特殊形式。针对星上定标器的高精度性能测试技术开展研究，提出了一种基于标准光谱仪的外场漫透射板标定方法，以解决漫透射板双向透射分布函数（BTDF）所需的大口径、高亮度均匀测试光源以及高精度自动控制覆盖测试角度矩阵等标定难题。所提方法以外场太阳作为参考光源，标准光谱仪作溯源传递，秒级高精度自动跟踪转台作角度变换，获得漫透射板的BTDF。结果表明，该方法能获得准确的漫透射板BTDF，标定精度优于2.5%，满足星上定标器的在轨定标精度要求。仪器在轨测试阶段的星上定标系数与同类载荷交叉定标的偏差优于2%。

为了减少由海天视场的时空不匹配引起的海表皮温测量误差，设计了循环水膜装置，结合红外热像仪，提出了一种海表皮温校正方法。在循环水膜装置中，通过水的循环流动，打破冷表皮效应，水膜的表皮温度可被测温仪精确测量。该方法使用热像仪对已知表皮温度的水膜进行测量，通过计算水膜表皮温度的真实值与测量值之差，校正热像仪对海表皮温的测量值，从而去除天空辐射对海表皮温测量的影响，得到准确的海表皮温数据。经实验验证，本文方法在降低海表皮温测量设备成本的同时，可提升天空辐射在时空多变时的测温精度。

本征正交分解（POD）方法已经广泛应用于时间变化随机场的分析，但其直接法或快照法存在自身固有缺陷，前者使关联矩阵求解特征值和特征向量较为困难，后者的有限抽样帧数会影响对随机场的统计特性分析。鉴于此，本文建立了基于泽尼克（Zernike）多项式加权系数的Zernike-POD方法，用于气动光学效应的波前模态统计分析。对于圆域问题，Zernike多项式阶数给定后，各阶加权系数与波前分布是一一对应的，并且通常用几百阶多项式就足以复原各种复杂波面形状。Zernike-POD方法由对波前本身改为对Zernike多项式加权系数的分解和模态计算，由于多项式阶数远少于波前的空间离散点数，因此，关联矩阵的维数降低，计算量减少，计算效率显著提高。Zernike-POD方法不损失空间分辨率，同时不需要限制最高采样帧数，因此，时间统计特性不受影响，预估的波前模态具有较高的时空分辨率。为验证该方法的有效性，用大涡模拟方法开展圆柱绕流数值仿真，并计算圆柱尾迹卡门涡街结构产生的时间系列气动光学效应数据，将该数据用于波前模态分析，波前空间分辨率为100×100，采样帧数为2万帧，Zernike多项式阶数取为217阶。一阶模态与稳态波前分布相似，二阶与三阶、四阶与五阶模态近似互为配对关系；前10阶模态能够基本复原波面形状，前49阶模态含能在97%以上，用完整模态重构的波前与原始波前没有本质差异；模态加权系数及其功率谱随阶数增加而呈下降趋势，前五阶模态加权系数的功率谱尖峰频率与光学窗口中心点脉动速度情况较为一致，对应卡门涡街的主频，斯特劳哈尔数St约为0.22。Zernike-POD方法适用于圆域波前模态分析，也适用于环形域和正方形域，并能够推广到流场结构、图像与信号等处理领域。

Lyot滤光器是太阳大气窄带成像观测的关键设备，用于太阳光球磁场测量和太阳色球成像观测。传统Lyot滤光器以波片旋转方式实现谱线扫描观测，谱线扫描速度慢，观测过程中不易消除湍流大气的影响。使用液晶相位可变延迟器替代旋转波片，可大幅提升滤光器谱线扫描速度。针对太阳光球磁场高分辨观测需求，研制了中心波长为5324.19 ?的液晶Lyot滤光器，该滤光器的透过率半宽为0.1 ?，透过波长切换时间小于100 ms。利用太阳光谱仪对该滤光器的谱线透过率轮廓进行了定标，并将其安装在云南天文台抚仙湖一米新真空太阳望远镜（NVST）上进行观测验证，获得了高分辨的太阳光球单色像及光球宁静区视向（LOS）速度场。光谱仪测试和NVST观测结果表明，该滤光器的谱线扫描速度和透过率半宽等参数满足NVST的太阳光球磁场和速度场高分辨率观测要求。

低轨道量子卫星是构建全球天地一体化量子保密通信网的重要组成部分。单颗低轨量子卫星服务时间有限，为了保证卫星与地面用户之间的持续通信，地面终端需要及时切换至其他可供服务的卫星。为了解决降雪环境干扰下地面多用户量子卫星切换场景下的阈值判决问题，分析了大气雪环境对量子星地链路的衰减影响，提出了一种基于演化博弈的多属性量子卫星切换策略。根据用户的带宽、卫星剩余服务时间及链路衰减三个属性定义效用函数，根据星间传输时延、信道纠缠度定义开销函数，最终得到用户的收益函数，建立演化博弈切换模型。仿真结果表明，该策略具有稳定性和公平性，能够有效均衡卫星的负载，且与基于最低链路衰减和最优纠缠度的单属性切换策略相比，切换成功率分别提升了1.2%和1.5%，这对未来降雪干扰环境下低轨量子卫星网络的多用户动态切换有一定的参考意义。

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。

二向色镜及偏振分光棱镜作为常用的光学器件，近年来在大气探测偏振激光雷达中得到了广泛使用。但两种光学元件性能上的非理想特性与安装时存在的偏振误差夹角等问题在一定程度上会对大气探测后向散射光的退偏比造成影响。针对偏振激光雷达标定中通常只考虑偏振分光棱镜影响的问题，通过仿真模拟分别分析了二向色镜、偏振分光棱镜以及二者级联下对大气中气溶胶的退偏比影响，并给出了误差分析。以532 nm和1064 nm两种波长下的沙尘粒子与卷云的后向散射光作为输入进行模拟计算，结果显示，常用的长波通二向色镜对模拟输入光源在1064 nm透射通道下有7.111%的退偏比变化，在532 nm反射通道下有3.012%的退偏比变化。对偏振分光棱镜而言，输入为532 nm及1064 nm处探测的沙尘粒子退偏比会分别产生21.333%和27.3%的相对误差变化，532 nm处探测的卷云退偏比会产生14.2%的相对误差变化。两种光学元件在存在偏振误差夹角时均会带来额外的退偏比误差增量，在两种光学元件级联条件下，对模拟光源的退偏比也表现出累加性的误差增大。

针对传统LiDAR里程计（LO）测量方法在处理无初值、长序列点云配准时存在精度低、稳定性差等问题，本文引入端到端点云配准网络（HRegNet），提出一种基于深度神经网络的LO测量方法——HRegNet-LO算法，以期实现更加准确、鲁棒的LO测量。所提算法由两个核心模块组成：前端计算和后端优化。在前端scan-to-scan配准中，主要是依据原始点云的3D坐标，采用HRegNet网络，计算出相邻两帧点云的初始转换矩阵，实现LO初始位姿计算；在后端scan-to-map配准中，主要是通过提取特征点构建特征地图，应用迭代最近邻点（ICP）算法，每间隔一定距离对初始位姿进行优化，以减小预估轨迹中的漂移。在Kitti odometry数据集上对所提算法的性能进行了评估，并与LOAM、F-LOAM等算法作对比分析。实验结果表明，所提算法相对旋转、平移误差分别在0.003°/m和1%左右，每帧位姿计算耗时约为100 ms，可以满足LO测量对于精度和实时性的要求。

卫星对地遥感观测中，云和冰雪地表是两个重要的观测对象，由于它们辐射特性的相似性，使得冰雪区域上空云检测存在困难。针对高光谱观测卫星（高分五号02星）偏振载荷的数据特征，本文设计了一套冰雪上空云检测算法。该算法利用高分五号偏振载荷大气气溶胶多角度偏振探测仪和高精度偏振扫描仪的在轨探测多角度多光谱偏振辐射数据，协同进行云检测。首先，通过氧A带吸收通道的表观压强检测进行云和冰雪的初步区分，在此基础上利用多角度偏振散射特性进行冰雪上空的水云检测，利用卷云波段检测提高了冰雪上空的卷云检测效果，最后通过对常用的NDSI归一化雪指数进行改进，提高了冰雪上空的冰云检测精度。以格陵兰岛和南极区域为例，进行了冰雪上空云检测实验，并与成像时间相近的MODIS产品云掩膜产品MOD35进行比对，一致性分别为83.3%和94.4%。结果表明，本文提出的算法能够有效检测冰雪上空的云像元。

气溶胶在大气辐射收支平衡、气候变化、降水、云的形成以及环境污染方面扮演着重要的角色。为了实现对气溶胶光学参数的大范围、高精度、定量化测量，2019年3月使用大气环境星气溶胶碳探测激光雷达（ACDL）的机载缩比系统（Air-ACDL）在中国山海关地区开展了机载观测试验。试验完成了不同污染天气、不同高度以及不同地表类型下的多架次观测。将六天飞行试验得到的机载高光谱激光雷达（HSRL）测量的气溶胶光学深度（AOD）分别与地面站点的太阳光度计和卫星遥感数据进行对比分析，其相关系数R均达到0.90以上，其样本数量分别为86与2200。基于机载HSRL的观测数据，提出了适用于Air-ACDL的气溶胶分类方法，并对山海关地区的气溶胶进行了分类研究。使用后向轨迹传输模型、云气溶胶激光雷达和红外探路卫星观测（CALIPSO）气溶胶分类结果，以及Aura卫星臭氧监测仪（OMI）传感器等数据验证Air-ACDL测量的气溶胶分类的可靠性。多架次Air-ACDL观测结果表明：相比于传统激光雷达气溶胶分类方法，基于Air-ACDL的气溶胶分类方法能够对气溶胶进行更加准确的分类；山海关地区地理位置特殊，观测期间，当地气溶胶除由本地供暖等活动产生的城市气溶胶之外，还有受大气传输影响来自内蒙古地区的沙尘气溶胶，以及来自东南渤海地区的海洋气溶胶。

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。

通过分析多角度偏振成像仪（DPC）的后验误差，测试DPC的气溶胶反演效果，为算法改进提供支持。使用GRASP（generalized retrieval of aerosol and surface properties）算法在同等条件下对DPC和POLDER（polarization and directionality of the earth's reflectance）数据进行反演，分析两种传感器的强度（RI）和偏振（RP）的反演残差及气溶胶光学厚度（AOD）误差；讨论山区和非山区AOD的反演精度及加入偏振信息对反演的改进。在多数波段，DPC的AOD反演精度接近POLDER，但在865 nm波段二者有较大正向偏差；RI@565、RI@865及RP@865的绝对值较大且较为离散；非山区上空DPC与POLDER反演精度接近，但在山区二者均出现系统性偏高，DPC尤为明显；偏振信息的加入可以有效改善仅强度条件下的反演结果；扣除干扰因素，非山区上空AOD@670落入期望误差范围的比例为63.7%，相关系数为0.828。

沙氏激光雷达是一种可实现近距离高分辨率探测的系统，而室内气溶胶的扩散研究对其探测范围提出了严苛的要求。以沙氏激光雷达技术为基础，提出对远场和近场的气溶胶后向散射信号进行同时探测的双视场技术方案。该方案通过融合双视场的信号获取极小盲区的全路径信号廓线。在室内环境下，利用人工施放的气溶胶对所研制的双视场沙氏激光雷达系统进行了测试实验。实验中，在路径末端7.1 m处设置硬靶，提供边界值标定，从而反演得到气溶胶消光系数。实验结果表明：相比单视场探测系统，双视场探测系统的盲区由1.26 m缩小到0.36 m；同时，系统距离分辨率在最近处为0.1 mm，在最远处为15 mm；通过对两个视场信号的定标融合，全距离范围内气溶胶反演结果具有较好的时空连续性。

近年来，我国卫星高光谱技术发展迅猛，高分五号、高分五号02星、资源一号02D星、资源一号02E 星等相继发射为遥感领域带来了丰富的高光谱数据源。但高光谱卫星在成像过程中不可避免地会受到云及云阴影的影响，如何准确识别成为保障后续应用的关键，Fmask 算法作为国内外诸多算法中的典型代表，已被 Landsat 和 Sentinel 业务化产品生产系统采用。Fmask算法作为国内外诸多算法中的典型代表，已被Landsat和Sentinel业务化产品生产系统采用。但该算法对于缺少热红外波段的数据精度偏低，例如对Sentinel-2数据的云和云阴影识别精度分别为84.5%和50%左右。鉴于此，本文通过在原有算法中优化云及云阴影识别算法结构、增加高亮地物识别辅助判据等改进手段，提出了一种适合高光谱卫星的Fmask改进算法，并在含有城区、山地、平原等三类不同下垫面场景的20景高分五号和资源一号高光谱影像中进行检验，结果表明：云识别的用户精度和生产者精度可达91.26%和99.97%，云阴影识别精度达到78.66%和79.41%，明显优于原始算法。本文算法对于高光谱数据的云及云阴影识别具有精度高、效果稳定和易于工程化实现的特点，可用于支撑国产高光谱卫星数据的业务化处理。

从遥感影像能够获取到精度高、范围广的地物信息，因而遥感影像在高空侦察和精确制导等领域得到广泛应用。针对遥感影像地物目标边缘模糊、尺度多变导致难以精准分割的问题，提出以深度残差网络为主干并结合注意力引导与多特征融合的分割方法，命名为AMSNet。首先，采用类别引导通道注意力模块提高模型对难分辨区域的敏感性；其次，嵌入特征复用模块减少遥感影像特征提取过程中边缘损失和小尺度目标丢失的问题；最后，设计跨区域特征融合模块以增强对多尺度特征信息的获取能力，并耦合多尺度损失融合模块对损失函数进行优化，综合提升模型对多尺度遥感影像目标的分割能力。选取3组遥感影像数据集进行对比实验，结果表明，AMSNet能够有效分割遥感影像地物目标边缘和多尺度目标。

本文介绍了一种基于高精度比例积分微分（PID）温控的宽带腔增强大气二氧化氮（NO₂）探测技术。系统选取中心波长为460 nm的LED光源作为探测光，入射端利用双胶合透镜的直接聚焦代替传统的光纤取样耦合，结合基长为322.4 mm的高灵敏度谐振腔，实现了小型化高精度的NO₂监测。针对温度波动会引起LED光源光谱漂移及光强改变的问题，本文提出了一种改进型PID-卡尔曼滤波算法，实现了LED温度的快速稳定调节，耗时仅需~2 min，温度的波动范围是±0.015 ℃，极大降低了LED温漂对探测性能的影响。仪器性能评估结果显示，在~2.15 km的有效吸收光程下，实现了81×10^-12的探测灵敏度（5 s，1σ）；不同体积分数的NO₂对比测试表明，本系统能准确测量大气NO₂，进一步验证了系统的稳定性和准确性。

在全球气候变化导致大气氧气浓度持续下降的背景下，为揭示青藏高原氧含量变化过程，利用氧气的顺磁性和法拉第磁光效应，研制了高精度磁旋转光谱大气氧气传感器。氧气测量选择近红外磁效应较强的13118.04 cm^-1波数处^PP（1）（J=1）跃迁谱线，结合Herriott光学多通池将有效吸收光程提高至7 m，使用通电螺线管线圈提供180 Gs（1 Gs=10^-4 T）直流磁场。基于噪声测量的信噪比分析显示装置中检偏器的最优偏转角为10°，此时系统总噪声为0.33 μV/Hz^1/2。最优光谱参数条件下的Allan方差评估表明，系统的探测精度为32×10^-6（1σ，60 s）。本装置通过使用稀土永磁体代替通电螺线管线圈，有望进一步提高磁旋转光谱信号强度，提升传感器性能。

针对快速、高分辨获取CO₂排放量并有效识别CO₂排放源分布的需求，集成了近红外差分吸收光谱遥测系统，研究了反演CO₂浓度信息的近红外差分光学吸收光谱算法，并结合通量算法估算了典型排放源的排放通量。分别选取电厂和合肥市科学岛为观测点，开展了对典型点排放源和复杂背景下面排放源的CO₂浓度分布研究，分析了参考光谱的选择对于结果反演的影响，选择背景光谱为参考谱，获取了CO₂柱浓度信息，柱浓度反演误差可达到0.79%，并利用双三次插值算法得到了高空间分辨的CO₂柱浓度二维浓度分布结果，结合浓度分布结果和观测参数计算了电厂CO₂的排放通量为1925 kg，其中测量距离估算误差为主要误差源。初步开展了对合肥市边界层CO₂浓度分布的研究，获得了合肥市大气边界层郊区、电厂区和城市区的CO₂浓度分布特点，该研究对下一步开展城市温室气体排放的评估具有重要意义，为城市碳排放遥测提供了一种可靠的技术和方法。

以淡水微藻中的蛋白核小球藻为受试生物，以典型毒性氯化消毒副产物氯乙酸及三氯乙腈为研究对象，采用荧光动力学方法研究了4种光合荧光参数F_v/F_m、F_v/F_o、F_m/F_o（F_o为初始荧光强度，F_m为最大荧光强度，F_v=F_m-F_o）及PI_ABS对两种消毒副产物的响应规律，并分别从对低质量浓度与等质量浓度消毒副产物响应性能、10%效应质量浓度（EC₁₀）与50%效应质量浓度（EC₅₀）值4个方面对比了4个光合荧光参数的响应灵敏性。结果表明：4个参数对两种消毒副产物都具有质量浓度响应特性，抑制率与消毒副产物质量浓度之间都具有较好的Logistic曲线型剂量-效应关系，修正相关系数Radj2均大于0.993，其中PI_ABS的Radj2最大；4个参数对两种消毒副产物毒性的响应灵敏性从大到小的排序均为PI_ABS、F_v/F_o、F_m/F_o、F_v/F_m，因此PI_ABS是基于荧光动力学方法检测水体氯化消毒副产物毒性较为灵敏的响应指标。该研究结果为发展水体消毒副产物毒性的现场快速检测方法与技术提供了重要参考。