根据米散射理论,设计了以532 nm激光器为光源、CCD为探测器的极化浊度计。对粒径为2 μm的聚苯乙烯标准粒子(PSL)进行检测,得到了PSL的散射相函数,将其与偏振角为0°和90°的2 μm球形粒子的理论散射相函数进行对比,拟合度分别达到87.3%与88.4%。采用Chahine迭代算法反演得到PSL的粒径为1.94 μm,接近其真实值。将极化浊度计与宽范围颗粒粒径谱仪和扫描电镜的检测结果进行对比,结果表明,该装置检测精度高,且不受人为主观因素影响,对颗粒粒径的准确检测有重要意义,在相关领域应用前景较好。

为了解雾霾天气条件下大气气溶胶的光学特性,利用多波长气溶胶激光雷达在北京海淀气象局的观测数据,反演得到了2017年11月4日至7日持续性雾霾期间大气气溶胶的消光系数、退偏振比和雾霾高度等参数,实现了在雾霾期间对大气的实时监测。结合探空资料数据获取的气象参数,并利用拉格朗日混合单粒子轨迹模式(HYSPLIT)分析了雾霾期间气团的路径来源和走向,分析得出,相对湿度增大、风速低以及逆温层的存在是雾霾形成和持续存在的重要因素。河北一带的污染物输送导致此次北京海淀区的雾霾形成,而西北风为污染物向上扩散消失提供了条件。

2017年7月至8月,使用微脉冲激光雷达与小型气溶胶后向散射探空仪在昆明开展了一个月的气溶胶垂直结构联合观测实验。对比2种仪器同步观测方法与探测后向散射比结果的异同,分析激光雷达和后向散射探空仪测量获得的气溶胶垂直分布特征。探测结果表明,两者具有较好的一致性,在1~4 km高度范围内,排除云层干扰后,2种仪器后向散射比测量结果的相关系数为0.87,方均根误差为0.752;观测实验表明,研制的微脉冲激光雷达为连续探测气溶胶垂直结构演化过程提供了有效手段,融合后向散射仪探空数据,可以减少微脉冲激光雷达数据反演中的假设参数,开展两者联合观测具有一定应用价值。

气溶胶在大气光学、大气辐射、大气化学、大气污染和云物理学等领域具有重要研究意义, 是大气监测的重要要素。为了更好地研究大气气溶胶光学特性及其时空变化特征, 山东省科学院海洋仪器仪表研究所研制了基于532 nm波长、单脉冲能量60 μJ、可进行三维扫描测量的气溶胶激光雷达。主要介绍了激光雷达的结构设计、技术指标、探测原理、探测模式、观测实验与数据分析。通过激光雷达在青岛小麦岛海洋环境监测站的观测实验数据, 分析了不同天气条件下的大气水平能见度, 验证了时间-高度显示、距离-高度显示与平面-位置显示测量模式的有效性。通过多种观测模式的数据, 利用Fernald方法反演了不同时刻的气溶胶消光系数, 并分析了气溶胶与云光学特性的时空变化特征。探测结果表明: 扫描式气溶胶激光雷达可以有效测量大气水平能见度, 通过扫描系统可以获取不同方向的气溶胶性质分布特征从而扩展了其探测范围。多种探测模式相结合可以获取云、气溶胶和边界层时空变化特征。

采用连续波半导体激光器为发射光源, 以电荷耦合器件(CCD)与鱼眼镜头为探测器, 设计了一套测量大气分子与气溶胶散射光成像的极化浊度计装置。该装置可实时观测大气样品的散射图像, 散射角观测范围为14°~162°, 极化角观测范围为0°~360°。利用该装置分别对氮气与水汽进行实时观测, 得到其散射图像, 其中氮气的散射光与瑞利散射理论相吻合, 不同极化角的散射光强与理论值的拟合优度为98%, 而水汽散射光随散射角的变化趋势与米氏散射理论的一致性较好。结果表明本装置在定量观测气溶胶散射光方面有潜在的应用价值。

提出了一种反演边界层以下气溶胶消光系数垂直廓线的方法。设计了一种以电荷耦合器件（CCD）为探测器、激光器为发射端的收发分置激光雷达系统（CCD激光雷达）。基于此系统测量了水平激光束图像与垂直激光束从地面起0~1.2 km高度的气溶胶角散射灰度图像。利用水平散射图像得到大气散射相函数相对值，将其作为参数反演了垂直方向的气溶胶消光系数分布廓线。将得到的消光系数值与合肥大气辐射观测站的双波长偏振米散射激光雷达(DWPL)的观测结果进行了对比，结果表明两者一致性较好。同时给出了合肥地区4个夜晚连续观测的气溶胶廓线分布。CCD激光雷达优势在于无盲区，在近地面空间分辨率可达0.032 m/pixel，在边界层以下气溶胶探测具有潜力。

Raman激光雷达是用于大气成分探测与特性研究的有效工具.介绍了中科院安徽光学精密机械研究所自行研制的一台用于测量低对流层大气CO2时空分布的Raman激光雷达系统, 并进行了一系列观测实验和对比分析.系统选用波长355 nm的紫外激光作为光源, 利用光子计数卡双通道采集大气中N2和CO2的Raman后向散射信号与Li7500型H2O/CO2分析仪进行对比标定, 通过反演获得了大气CO2水平与垂直方向时空分布廓线, 并且获得了合肥地区大气边界层CO2的夜变化趋势.结果表明, 大气CO2在空间的分布相对均匀, Raman激光雷达与CO2分析仪变化趋势一致性较好, 能够对大气CO2时空分布进行有效、连续的观测.

介绍了一种新的CO2探空测量方法。其原理是利用比尔歩格朗伯定律，使用非分光红外法，通过选择合适的红外光源和红外探测器，设计了合理的电路，在定标的基础上将测量的光强转换成CO2浓度，制作出可用于探空测量的实验装置。通过与EC9820型CO2分析仪的地面对比实验，结果表明，连续24 h测量的误差范围在-10×10-6~10×10-6，平均误差为3.76×10-6，验证了设计的可行性，基本满足了大气CO2探空的精度需求，为进一步研制CO2探空仪提供了参考。

提出一种测量大气气溶胶散射相函数及能见度的方法，并且设计了以半导体激光器为光源和电荷耦合器件(CCD)为探测器的实验装置，利用该实验装置测量了15°~45°的散射灰度值角分布。根据激光雷达方程和Henyey-Greenstein散射相函数理论，拟合气溶胶的相函数分布，计算其能见度。将拟合得到的相函数和计算的能见度的结果分别与POM天空辐射计和Belfort能见度得到的观测结果进行对比，结果表明两者一致性较好，证明了利用激光光源和CCD测量气溶胶相函数和能见度的可行性。

介绍了中国科学院安徽光学精密机械研究所研制成功的我国第一台测量低对流层大气CO2时空分布的拉曼激光雷达系统，选用波长355 nm的紫外激光作为光源，利用光子计数卡双通道采集大气中N2和CO2的拉曼后向散射信号。详细分析了拉曼激光雷达系统的定标方法，提出采用Li7500型H2O/CO2分析仪与拉曼激光雷达系统进行对比与标定，结果显示激光雷达与CO2分析仪数据变化趋势一致性较好，激光雷达具有很高的探测灵敏度与准确性，通过线性拟合水平方向标定误差小于0.2%，垂直方向小于1.4%。由标定关系反演出大气中CO2的时空分布，给出了合肥西郊低对流层大气CO2水平方向0~2.0 km与垂直方向0~2.5 km分布的典型测量结果。