微脉冲激光雷达技术是大气气溶胶观测的重要手段, 当使用紫外激光光源时, 可利用激光诱导荧光信号探测环境中的有机气溶胶。建立了微脉冲荧光激光雷达水平探测有机气溶胶的仿真模型, 并对回波光子数及信噪比进行了数值仿真计算。根据仿真结果设计并搭建了一台微脉冲荧光激光雷达, 通过对系统进行几何重叠因子标定, 减小了近场荧光回波信号的强度误差。以营养肉汤溶液为气溶胶样本对该激光雷达系统开展了测试实验, 实验表明该MPFL系统空间分辨率为7.5m, 实验最大探测距离达到200m。同时与另一台低重频高脉冲能量的荧光激光雷达进行了对比实验, 对比结果显示, 两型激光雷达接收的荧光信号强度变化趋势具有很好的一致性, 相关系数达82%以上。在相同的累加时间下, MPFL荧光信号变化率矩阵标准误差小于0.02%, 具有更好的抗干扰性能, 能够实现对有机气溶胶准确探测, 验证了系统有效性和实用性。

为研制一台探测距离3km、分辨率10μg/m3的大气NO2廓线差分吸收激光雷达, 以NO2的吸收光谱和激光雷达方程为基础, 通过数值仿真分析了回波信噪比与水平和垂直方向上大气中气溶胶、NO2含量的分布、探测距离和几何因子的关系; 搭建探测大气NO2实验系统, 开展了大气NO2浓度实验观测, 获得水平及垂直高度0.4km～3.0km内的NO2浓度实时分布, 探测分辨率可达4.717μg/m3, 系统稳定可靠。结果表明, 采用两台波长为354.7nm、能量不小于100mJ的Nd∶YAG激光器分别抽运两台染料激光器的方式, 并以C450为染料, 可满足差分吸收探测所需的两束波长为λon (448.10nm)和λoff (446.80nm)、能量为8mJ的输出光束。该方法为实用化NO2差分吸收激光雷达光源的设计及应用提供了理论依据及技术支持。

研制了一套探测低层大气二氧化硫的车载可移动激光雷达系统.该系统选用的差分波长对为300.05 nm和301.50 nm.光源采用两台NdYAG激光器分别泵浦两台窄线宽染料激光器经过倍频来获得.激光经过合束、扩束后与望远镜同轴发射.后向散射信号被近牛顿式望远镜接收后, 通过光电倍增管转换为电信号, 然后被数据采集卡采集, 最后用来反演二氧化硫分布廓线.在淮南地区进行了针对近地面水平探测的外场实验, 结果表明, 在0.8~3.0 km范围内, 当晚二氧化硫浓度在20 μg·m-3上下波动, 气象部门地面仪器结果为18~22 μg·m-3, 实验结果与仪器结果具有可比性.

研制了一台利用大气后向散射信号探测NO2浓度廓线的差分吸收激光雷达(DIAL)。用两台Nd∶YAG激光器分别抽运两台染料激光器，获得测量大气NO2浓度所需的波长分别为λon和λoff的两束激光，通过数据反演获得NO2浓度的水平和垂直分布。实验结果表明，淮南大气科学研究院内大气垂直高度0.4~3.0 km范围内的NO2体积分数在0~2.5×10-8范围内波动，水平距离0.4~3.0 km范围内的NO2体积分数在0~3.0×10-8范围内波动。

由于气溶胶的影响, 传统的瑞利散射法测量低空大气温度有一定的局限, 为此开展了纯转动拉曼法测量低空大气温度。 利用纯转动拉曼激光雷达在北京进行了2个月的大气温度观测, 由观测数据反演了温度廓线。 在基于N2和O2的纯转动拉曼谱线特征进行大气温度反演过程中, 分析了平滑窗口、 定标范围和定标常数对温度反演精度的影响。 结果显示随着平滑窗口的增大, 雷达和无线电探空仪测量的温度之间的平均绝对偏差先减小后增加, 为有效去除信号中随机误差的影响, 同时保留温度廓线的垂直结构, 平滑窗口应选择600~1 200 m比较好。 定标范围不同, 雷达和无线电探空仪测量的温度之间的平均绝对偏差就不同, 相对变化约为0.07 K。 当定标常数a, b都增大或都减小时, 雷达和无线电探空仪测量的温度之间的平均偏差增大, 当一个增大另一个减小时, 平均偏差相互抵消; a, b的变化不是等几率的, 在符号上总是相反的; 平均偏差对a的变化不敏感, 对b的变化也不敏感, 对a与b的整体变化敏感, 约91.7%平均偏差落入-3~3 K之间。 该研究分析结果对纯转动拉曼激光雷达数据反演中涉及的平滑窗口、 定标范围的选择提供了理论依据, 对激光雷达定标常数造成实际温度反演结果的误差提供了参考。

根据米氏散射理论，对卷云消光特性、有效激光雷达比与波长之间的关系进行了模拟研究，并基于三波长激光雷达系统于2011年1月至2012年10月在合肥西郊的观测资料，计算了卷云不同波长的有效激光雷达比。理论和实验结果均表明，对三波长激光雷达系统所用的355，532，1064 nm三个波长而言，卷云的消光系数与波长无关，有效激光雷达比随着波长的增大而增大。合肥地区的卷云有效激光雷达比主要分布在10~70 sr之间，它们对应三个波长上的均值分别为(21.0±9.3) sr，(29.4±11.7) sr，(38.1±11.4) sr。355 nm波长的卷云有效激光雷达比秋季最低，而532 nm和1064 nm波长则秋季最高。

双光栅单色仪的透过率函数对转动喇曼激光雷达回波信号的模拟计算、温度反演灵敏度的分析、温度反演公式的选择等具有重要作用。为了研究双光栅单色仪透过率函数的算法，采用一个变量把衍射光斑占出射光纤横截面积的比表示出来，然后利用光斑与光纤横截面是相离、相交还是相切的关系给出了透过率函数，对532nm的双光栅单色仪的透过率函数进行了理论分析与实验研究。结果表明，532nm双光栅单色仪的透过率曲线的中心波长分别为529.0nm,530.3nm,533.8nm和535.1nm,带宽为0.48nm，模拟的回波信号与实测回波信号基本重合,双光栅单色仪透过率函数的计算方法是正确的。

大气CO2是一种温室气体, 在气候变化等领域起着关键作用。基于NDIR技术研制了可用于探测大气CO2垂直廓线的无线传感系统。系统采用电调制型的红外辐射光源、双通道探测器并结合超低功耗单片机实现大气CO2信号的采集与控制。提出采用调制信号周期内扣除信号起伏与背景噪声的方法, 使得本系统具有0.29%的相对测量误差。通过分时工作的方式解决了数字式无线电探空仪中高频发射机对CO2检测电路运算放大器的电磁辐射干扰, 进而实现了气象探空仪与小型化的CO2探测系统的高度集成。通过与地面LI-COR LI7500对比分析, 两者表现出较好的一致性, 24 h测量数据的相关性达0.89, 表明所研制的探测系统的稳定性与准确性。为实现大气CO2垂直廓线的探测提供一种选择。

差分吸收激光雷达是测量边界层臭氧空间分布的一种重要工具。研制了一台边界层臭氧差分吸收激光雷达系统，系统采用Nd：YAG四倍频激光266 nm泵浦H₂/D₂混合气体产生受激拉曼光作为光源，采用牛顿型望远镜接收大气回波，288.9 nm和299 nm的弹性散射信号被分成两路，被光电倍增管转换为电信号，然后通过A/D采集卡采集保存用以反演大气臭氧分布廓线。给出了系统的探测结果以及和臭氧探空仪地对比验证实验。结果显示该激光雷达可以大大降低几何因子的影响，提供0.2~2 km区间的边界层大气臭氧分布廓线。

二氧化硫是大气中最常见、最重要的污染物之一。差分吸收激光雷达探测二氧化硫具有高时空分辨率、高探测精度等优点。用两台Nd:YAG激光器泵浦两台染料激光器后，通过倍频晶体得到测量大气二氧化硫所需的两个波长，它们分别是λon =300.05 nm和λoff =301.5 nm。将两束光束用几组反射镜合为一束光束，经扩束镜6倍扩束后垂直发射进入到大气中。接收望远镜收集两个激光波长的大气后向散射信号，信号采集单元记录两个波长的后向散射回波信号的垂直高度分布。通过数据反演获得二氧化硫的高度分布。初步实验结果表明，实验期间合肥西郊董铺岛垂直高度0.3~1.6 km的二氧化硫在0~14 ppb范围内波动。最后分析并估算了该二氧化硫差分吸收激光雷达的四个主要误差来源。